JP3866336B2 - Pen input display device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペン入力機能を備えた表示装置に係わり、特にペン入力手段の改良をはかったペン入力表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の高度情報化社会の発達にともない、その情報を入力し記憶し表示する装置(情報機器)の高性能化、軽薄短小化、低消費電力化が強く望まれる様になった。このような状況の中、現在多くの種類の情報機器が提案・実用化されている。その中でペン入力機能を装備したペン入力表示装置は、上記の要求を満たす情報機器として注目されている。
【0003】
手書き文字や図形をコンピュータやワードプロセッサや携帯情報端末機器などに入力する手段として、例えば、抵抗薄膜タブレットを利用したペン入力表示装置(参考文献:東芝レビュー1994Vol.49No.12、日経BP社フラットパネルディスプレイ '93、日経BP社MATERIALS&TECHNOLOGY93.8)や電磁誘導タブレットを利用したペン入力表示装置(参考文献:東芝レビュー1994Vol.49No.12、日経BP社フラットパネルディスプレイ '93、日経BP社MATERIALS&TECHNOLOGY93.8)や静電結合タブレットを利用したペン入力表示装置(参考文献:東芝レビュー1994Vol.49No.12、日経BP社フラットパネルディスプレイ '93、日経BP社MATERIALS&TECHNOLOGY93.8)などがあり、その他のペン入力表示装置として例えば参考文献(特開平4−283819、特開平4−299727、特開平5−127823、特開平5−158880、特開平4−343387、特開平5−189126、特開平5−197487、特開昭62−92021、特開昭63−293623、日経コンピュータ '93/6、情報処理学会論文誌1988Vol.29No.3「手書き編集記号を用いたオンライン文字図形編集法」)などがある。
【0004】
近年の情報化社会の発展に伴いペン入力表示装置における表示装置の精細度はますます高くなっており、同時に画素サイズも小さくなっている。また、ペン入力表示装置にはより正確で多くの情報を素早く入力できる性能が求められるようになっている。
【0005】
また、近年では表示装置とペン入力装置(タブレット)が一体になったペン入力表示装置が提案され(特開昭54−24538、特開平6−295219、特開平6−314165、特開平4−337824)、表示装置の表示能力を損なうことなくペン入力が行えることからペン入力方式の主流となりつつあるとともに、より高品位な表示を行うためこれらの表示装置としてトランジスターやダイオードなどのアクティブ素子を使ったアクティブマトリックス型表示装置が使われる様になっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の静電容量方式はペン入力装置と表示装置を一体にすることが可能であるため、情報機器の軽薄短小化及び低コスト化には有利であるが、表示装置からの電磁波ノイズによって検出誤差が発生したり、基本的に表示装置に於ける電極とペン先電極の容量結合を利用しているため、表示装置に於ける電極が微細化される場合(TFT−LCDの様にゲート線と信号線が細い場合や表示装置の高精細化のために電極が微細化される場合)検出誤差が大きくなってしまう。
【0007】
抵抗膜方式は情報機器の軽量化及び低コスト化には有利であるが、ペン座標の検出精度が余り良くない。
【0008】
また、電磁誘導方式は高精度なペン入力には有利であるが、表示装置の背後に検出用タブレットを設けなければならず軽薄短小化がむずかしく、また、大画面の表示装置を有する情報機器(40インチ以上)に適用する場合、表示装置と検出用タブレットの位置合わせ精度の問題から検出精度向上がむずかしい。
【0009】
また、高精細な表示装置を使ったペン入力表示装置では使用者がペン入力を行う際に生じる手振れやペン入力を行う入力面が紙と違い滑りやすいために生じる誤入力がより顕著に表れるため、表示装置が持っている高精細な表示ができず手振れによる誤入力などが目立ちみすぼらしい筆跡となってしまう。これらを補正する技術として例えば参考文献(特開平6−295219、特開平5−274081)や検出ペンのペン先を表示装置の精細度にあわせ細くする方法などがあるが、画素サイズの比較的小さい表示装置を有するペン入力表示装置で手書き入力速度が比較的速い場合には上述した方法では十分ではない。
【0010】
また、ペン入力表示装置では同一面上で何度も手書き入力を行うため基本的に検出ペンのペン先は入力面を傷つけない丸いものが望ましく、ペン先を画素サイズに合わせ細くしたのではペン入力表示装置の入力面を傷つけてしまい保護シートを幾度となく交換しなくてはならず問題が残る。画素サイズが300μm×300μm以下(特に150μm×150μm以下)になるとより高度な補正が必要であり、基本的に上述した方法では1画素毎に高度な補正を施すことが出来ないため細かい筆跡でかつ素早い手書き入力時にはより正確な補正が行えない。
【0011】
従って本発明の目的は、大画面の表示装置又は高精細な表示装置を有し、ペン入力面と表示面が同一であるペン入力一体型表示装置に対して、高精度な検出座標(高空間分解能)と軽薄短小及び高時間分解能を兼ね備えたペン入力装置を提供することである。
【0012】
また本発明の目的は、ペン入力表示装置のより正確でしかも細かい筆跡でかつすばやい手書き入力でも見栄えの良い手書き入力ができるペン入力装置を提供することである。
【0013】
更に本発明の目的は、電磁波ノイズに強く、検出誤差が少ない静電容量方式のペン入力表示装置を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるペン入力装置と表示装置を備えた第のペン入力一体型表示装置は、前記ペン入力装置におけるペンが光センサーを備え、前記ペンが、前記表示装置上で移動した移動量を、前記表示装置表面上の位置変化に対応して変化する該表面の光透過率を前記光センサーによって検知することで検出する移動量検出手段を具備していることを特徴とする。従って、ペン入力装置におけるペンが、表示装置上で移動した移動量を、表示装置表面上の位置変化に対応して変化する該表面の光透過率に基づいて検出できる。
【0016】
本発明に係わるペン入力装置と表示装置を備えた第のペン入力一体型表示装置は、前記入力装置におけるペンが光センサーを備え、前記ペンが、前記表示装置上で移動した移動量を、前記表示装置に配置された光遮蔽部と開口部の光透過率差を光センサーによって検知することで検出する移動量検出手段を具備していることを特徴とする。従って、ペン入力装置におけるペンが、表示装置上で移動した移動量を、表示装置に配置された光遮蔽部と開口部の光透過率差に基づいて検出できる。
【0017】
本発明の上記第1乃至第3のペン入力一体型表示装置によれば、表示装置と独立して座標検出用タブレットを、表示装置の表又は裏に設ける必要が無く、表示装置と座標検出用タブレットを同一面に形成できるので、ペン入力一体型表示装置の軽量薄型化及び高画質化可能であり、表示装置が数インチ以上の大画面であればあるほど、ペン入力に必要とする部品点数が基本的に変わらないので、本発明による軽量薄型化の効果は大きい。
【0018】
例えば、表示装置が対角12.1インチXGAで画素ピッチが210μm*70μmのものや、表示装置が対角40インチで画素ピッチが630μm*210μmのものなどに有効であり、表示装置としては透過型でサイズが対角5.5インチ以上のものに特に有効である(対角10インチ以上にはより有効で、対角20インチ以上にはもっとより有効である)。
【0019】
また、表示装置上のペンの移動量を、ペンが有する光センサーによって表示装置から直接瞬間的に検出するので、高時間分解能な座標検出が可能である。よって、手書き入力に於いて表示装置に対して小さい字を早く書く様な場合(表示装置の大きさを1とした場合に於いて、大きさ10分の1以下の字を書く場合などに本発明は有効であり、また、80ドット/秒以上の速度で手書き入力する場合に本発明は有効である)、本発明は非常に有効である。
【0020】
また、表示装置上のペンのX方向の移動量と表示装置上のペンのY方向の移動量を、表示装置表面の表示装置に本来ある異なる空間光学特性差によって検出することが可能であるため、ペンがX方向に移動したのかY方向に移動したのかより正確に検出することが可能である。
【0021】
また、ペンが有する光センサーの受光面が表示装置上のX方向とY方向とで異なった長さであるため、光センサーが表示装置のどちらか一方向の空間光学特性差の影響を受けやすくなるので、ペンがX方向に移動したのかY方向に移動したのかより正確に検出することができる。
【0022】
また、ペンが表示装置上に配置された座標を、表示装置のCs線及び信号線を順次選択駆動する際に画素電極に生じる突き上げ電圧による表示装置の輝度変化を利用して検出するので、表示装置に於けるアレイ基板と独立して座標検出用アレイ基板を設ける必要が無く、表示装置と座標検出用タブレットを同一面に形成できるので、ペン入力一体型表示装置の軽量薄型化が可能であり、容量結合による表示装置の輝度変化を利用して、座標を検出するので、画素電極に瞬時に所望する電圧を印加することが出来、画素電極を駆動するスイッチング素子のばらつきが影響されず、高精度な座標検出が可能である。
【0023】
また、検出した座標を調整することが可能なため、表示装置の応答速度の温度特性のため発生した検出誤差を調整し、より高精度な座標検出が可能である。
【0024】
また、表示装置の画素電極毎に配置されたスイッチング素子をオフした後、Cs線によって突き上げ電圧を発生させるので、座標検出時に画素電極への信号線電圧書き込みによって生じる表示装置の輝度変化の影響を受けないのでより高精度な座標検出が可能である。
【0025】
また、Cs線をCs線駆動手段から切り離した後、信号線によって突き上げ電圧を発生させるので、生じた突き上げ電圧がCs線駆動手段の影響を受けず突き上げ電圧を維持することが出来る。
【0026】
よって、高画質、軽量薄型で高時間分解能、高精度座標検出を実現したペン入力一体型表示装置を得ることが出来る。
【0027】
更に、本発明に係わるペン入力装置と表示装置を備えた前記第1又は第2のペン入力一体型表示装置は、前記ペン入力装置に於けるペンが、前記ペンの筐体と、緩衝機構を介して前記筐体と連結された受光部を具備し、前記受光部の受光面が前記表示装置表面と平行になるように制御されることを特徴とする。
【0028】
また、本発明に係わるペン入力装置と表示装置を備えた第のペン入力一体型表示装置では、前記緩衝機構がバネを具備することを特徴とする。
【0029】
また、本発明に係わるペン入力装置と表示装置を備えた第のペン入力一体型表示装置では、前記緩衝機構がゴムを具備することを特徴とする。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる実施の形態を図面を参照して説明する。
【0035】
図1は第1実施例に係わるペン入力表示装置の構成を示したものであり、1は駆動電圧VON、VOFF 、VDD、制御信号STV,CPVを受け出力信号VPSR ,DX 、DY 、VYSTOP を出力するペン入力デバイスである。
【0036】
8は信号線(S1〜Sn)、ゲート線(G1〜Gm)、Cs線(C1〜Cl)、Cs容量、ゲート線で制御され信号線電圧をCs容量及び画素容量(図示せず)に書き込むTFTなどで構成されたアレイ基板であり、参考文献(電子情報通信学会論文誌C−II Vol.J76−C−II No5 pp.177−183「a−Si TFT/LCDの技術動向」塚田俊久、日経BP社,フラットパネルディスプレイ1994〜1995、日経BP社,日経マイクロデバイス1991年4月号−1994年7月号)などがある。また、アレイ基板8に対向して対向電極が(図示せず)配置されており、対向電極とアレイ基板8の間には液晶(図示せず)が挟まれて画素容量(図示せず)を形成している。これらの参考文献として(日経BP社:フラットパネルディスプレイ1994〜1995、日経BP社:日経マイクロデバイス1991年4月号〜1994年7月号)がある。
【0037】
2は駆動電圧VDD、VCC、制御信号CPH、SHT、デジタルデータVD、基準電圧VRを受け、信号線に信号線電圧を書き込む信号線駆動部であり、参考文献(H.Okada,et al.,SID93 Digest,pp.11〜pp.14、T.Furuhashi,et al.,SID94 Digest,pp.359〜pp.362、東芝集積回路技術資料「東芝LCDドライバーコントローラLSI1992〜1995」)などがある。
【0038】
3は駆動電圧VON,VOFF 、制御信号CPV、STV、VYSTOP を受け、ゲート線にゲート電圧を書き込むゲート線駆動部であり、参考文献(K.Hyugaji,et al.,SID91 Digest,pp.543−pp.546、東芝集積回路技術資料「東芝LCDドライバーコントローラLSI1992〜1995」)などがある。
【0039】
9は駆動電圧VON,VOFF 、制御信号CPV,STV,VYSTOP ,VPSR を受け、Cs線にCs電圧を書き込むCs線駆動部である。
【0040】
4は駆動電圧VON、制御信号VYSTOP ,VXSTOP ,CPVを受け信号線に信号線電圧を書き込むX駆動部である。
【0041】
7は駆動電圧VDD、制御信号VPSR ,ICPH、デジタルソースデータSVD、ペン入力に関わる座標データDX ,DY を受け、CPV,STV,CPH,STH,VDを出力するコントロール部である。コントロール部7はペン入力デバイス1から、ペン入力デバイスの座標を示す座標データDX ,DY を受け、信号線駆動部2及びゲート線駆動部3がそのペン入力デバイスで検出した座標をアレイ基板8に表示出来る様、データ処理をした後、出力信号を信号線駆動部2及びゲート線駆動部3に送る。
【0042】
SW1〜nは排他的論理和回路120で制御されるスイッチであり、120の出力がハイレベル時オフ、ローレベル時オンである。
【0043】
ここでアレイ基板8の左右方向をX方向(図1に示されている様に右方向をXup、左方向をXdownとする)、上下方向をY方向(図1に示されている様に上方向をYup、下方向をYdownとする)と定める。
【0044】
図2はペン入力表示装置の外形を示しており、1はペン入力デバイスを、10は表示装置を、11はバックライトを、12は接続コードを示している。なお、本実施例では、10の表示装置としてアクティブマトリックス型液晶表示装置いわゆるTFT−LCD(参考文献:日経BP社,フラットパネルディスプレイ1990〜1995、日経BP社,日経マイクロデバイス1991年4月号−1994年7月号)を使用した。
【0045】
ペン入力デバイス1の断面図を図3に示す。図3において、13は金属A、14は金属B、15はペン先を示しており、ペン先15はペン先15に加わる力によって移動することが可能となっており、ペン先15に力が加わることにより金属A 13と金属B 14が接触する。また、ペン先15は16のガラス、17のフォトダイオードアレイ、18のキャリアーテープ等で構成されており、ガラスは17に直接強い力が加わることを防止しており、フォトダイオードアレイ17はペン先に入ってくる光を電気信号に変換しており、キャリアーテープ18はフォトダイオードアレイ17によって得られた電気信号を19のコネクタを介して、20の回路基板に送っている。回路基板20には表示装置上におけるペン先15の位置を検出するための各種電子部品21が実装されている。22はペン入力デバイスのボディーであり、軽くて丈夫なプラスティックなどが使われている。接続コード12には図1で示した駆動電圧(VON,VOFF ,VDD)、制御信号(STV、CPV、SSTH、CCPH)、出力信号(VPSR 、DX 、DY 、VYSTOP )が通っている。
【0046】
本実施例では、フォトダイオードアレイ17を使って座標検出を行ったが、実際、17をディスクリートのフォトダイオードで構成しても良く、または、ディスクリート又はアレイ状のフォトトランジスターなどで構成しても良い。また、CCD等の電荷結合素子を使っても良い。
【0047】
図4はペン入力デバイスの受光の様子を示したものであり、23のプリズムシートはバックライト11から放射される光(27は光の経路を示す)をバックライト11の垂直方向に集光する役目をしており(表示装置を垂直にながめた時、表示装置の輝度が最も高くなる)、バックライト11から放射された光は26の偏光板及びアレイ基板8を通り、24の液晶層に印加される電圧値に応じた強度の光に変調され、25の対向基板を通って、フォトダイオードアレイ17に受光される。
【0048】
図5は対向基板25の構造を示したもので、図5(a)は断面図を、図5(b)は上面図を示している。なお、図5(a)の断面図は、図5(b)のA−A断面図である。28はガラスを、29は光遮光層(ブラックマトリックス)を、30は赤(R)、青(B)、緑(G)にそれぞれ着色された着色層を、31はオーバーコート層を、32は対向電極を示している。対向基板25の参考文献としては(日経BP社「フラットパネルディスプレイ91〜95」)などがある。
【0049】
また、光遮光層を単に遮光部と呼んでもよく、着色層を単に表示部や開口部と呼んでも良い。
【0050】
図6はフォトダイオードアレイ17の構造を示しており、33のフォトダイオードアレイ基板上にA受光面、B受光面、C受光面、D受光面、E受光面、F受光面を持ち、それぞれの受光面に入射した光エネルギーをそれぞれの端子間(Ak−Aa〜Fk−Fa)の電気エネルギーに変換して出力する。なお、添字のkはカソードをaはアノードを示している。
【0051】
図7、図8はフォトダイオードアレイ17の他の構造を示しており、また同時に、対向基板25の着色層30を点線で重ねこれらのサイズおよび各受光面の位置関係を示す。
【0052】
図9はフォトダイオードアレイ17の等価回路を示したものであり、DFA〜DFFはそれぞれ受光面A〜Fに応じたフォトダイオードである。
【0053】
図10はペン入力デバイスの構成を示しており、34は駆動電圧がVON,VOFF 、VDDで、表示装置10からの光エネルギーをVA 〜VF の電気信号に変換して出力する光信号変換部である。したがって、光信号変換部34に入射する光エネルギー(より正確には、光信号変換部における各フォトダイオードの受光面に入射する光エネルギー)の強さに応じた電気信号が出力される。34の光信号変換部は、それぞれの出力VA 〜VF に応じた光信号変換基本回路(図示せず、以後に詳細説明)から構成される。
【0054】
35はペン入力表示装置がペン入力状態であるのか否かを判断するペンシステムリセット部であり、VPSR =Highレベル時にペン入力状態を、VPSR =Lowレベル時には非ペン入力状態を示している。ペンシステムリセット部35によってペン入力表示装置のシステムリセットをしているので、使用者が所望の時のみペン入力状態とすることが可能であるため、誤動作(例:表示装置以外の光エネルギーによる誤動作)を防ぐことが出来る。
【0055】
36は初期座標検出部であり、駆動電圧VON,VOFF ,VDD、制御信号STV,CPV,VPSR ,VBを受け、初期座標データDX03 〜DX00 (X方向)、DY03 〜DY00 (Y方向)を出力する。なお、初期座標データとはVPSR がLowレベルからHighレベルに変化したときの、表示装置10上のペン先15の座標データである。また、図10ではX方向Y方向とも簡単のため4Bitデータであるが、例えばVGAの表示装置であればY方向9Bit、X方向10Bitの初期座標データとなる。
【0056】
37は表示装置10上でのペン先15の移動量を検出する移動量検出部であり、駆動電圧VON,VOFF ,VDD、制御信号VPSR ,VA〜VFを受け移動量データDX13 〜DX10 ,DY13 〜DY10 を出力する。なお、移動量データのBit数は初期座標データで説明した通りである。
【0057】
38はX座標検出部であり、36と移動量検出部37で得られたデータからX方向の座標データ(X座標データ)DX3〜DX0を出力する。
【0058】
39はY座標検出部であり、36と移動量検出部37で得られたデータからY方向の座標データ(Y座標データ)DY3〜DY0を出力する。なお、座標データのBit数は初期座標データで説明した通りである。
【0059】
図11はペンシステムリセット部の構成と出力波形を示したものである。図11(a)はペンシステムリセット部の構成であり、金属A13、金属B14、40の抵抗、VDDを駆動電圧とする41のインバーターからなる。図11(b)は得られるVPSR の出力波形を示したもので、金属A13と金属B14が接触している時VPSR =VDD、金属A13と金属B14が非接触時VPSR =GNDとなる。
【0060】
図12は光信号変換部34における光信号変換基本回路46の具体例を示したものである。42は抵抗を、43はコンデンサーを、44はオペアンプを、45は抵抗をそれぞれ示している。46は、フォトダイオードDFAのA受光面に入射した光信号をVAという電気信号に変換して出力している。なお、実際の光信号変換部34はフォトダイオードアレイ17の各フォトダイオード(DFA〜DFF)毎に46に示したものと同一構成の光信号変換基本回路があり、それぞれVA〜VFの電気信号を出力している。
【0061】
図13はフォトダイオードの特性と光信号変換基本回路の関係を示したもので、図13(a)がフォトダイオードの一般的特性を、図13(b)がその様な特性のフォトダイオードを使った場合の光信号変換基本回路46の動作を示している(参考文献:浜松フォトエレクトロニクス株式会社「フォトダイオードカタログ」)。オペアンプ44にはレールトウレール特性のものが良く、VOFF まで出力できるものが良い。
【0062】
図13(a)から明らかな様にフォトダイオードの受光面により高い照度の光(ここでは話を簡略化するためフォトダイオードの分光波長特性は無視している)を入射するとより大きな出力電流が得られ、図12に示す光信号変換基本回路46の動作から明らかな様に、フォトダイオードに流れる電流はオペアンプ44の低バイアス電流特性及びバーチャルショート特性のためそのほとんどが抵抗45に流れる。また、オペアンプ44のバーチャルショート特性のためオペアンプ44の反転入力端子は0vであり、その出力電圧は抵抗45の抵抗値をR44とし、フォトダイオードに流れる電流をIDとすると
−R44*ID[v]
となる。従って、図13(b)に示される特性が得られる。
【0063】
図14は、移動量検出部37の構成を示している。移動量検出部37は、Y方向移動量検出部47とX方向移動量検出部48からなり、Y方向移動量検出部47は表示装置10上のペン先15のY方向移動量をVA,VB,VC,VPSR から検出し、DY13 〜DY10 パラレル信号(この例では4ビットとしているが、ビット数については初期座標データで説明した通りである)にして出力する。
【0064】
48は表示装置10上のペン先15のX方向移動量をVD、VE、VF、VPSR から検出し、DX13 〜DX10 パラレル信号(この例では4ビットとしているが、ビット数については初期座標データで説明した通りである)にして出力する。例えば、ペン先15がゲート線3本分移動すると、(DY13 ,DY12 ,DY11 ,DY10 )=(0,0,1,1)が出力され、ペン先15が信号線9本分移動すると、(DX13 ,DX12 ,DX11 ,DX10 )=(0,0,1,1)が出力される(本実施例では、R、G、Bの各着色層で1つのRGB画素を形成するため出力が0、0、1、1となる)。
【0065】
また、TFT−LCDでは通常、図5に示した各着色層を1ドットと呼び、連続したRGB各1ドット計3ドットで1画素とするが、本実施例では1ドットを1画素と呼び、1画素をRGB画素と呼ぶ。
【0066】
図15はY方向移動量検出部47の構成を示しており、Y方向移動量検出部47はレベルシフト部49、シリアル信号発生部50、パラレル信号発生部51からなる。49はVA、VB、VCを扱いやすいレベルのデジタルデータVAO、VBO、VCOに変換し、シリアル信号発生部50はVAO、VBO、VCOを受けYup方向の移動量を示すVYup信号と、Ydown方向の移動量を示すVYdown信号を出力する回路であり、パラレル信号発生部51はVYup、VYdown信号を受けY方向の移動量を示すパラレル信号DY13 、DY12 、DY11 、DY10 を出力する。なお、DY13 、DY12 、DY11 、DY10 は補数表示で示されている。
【0067】
X方向移動量検出部48の構成もY方向移動量検出部47と同様である(但し、VA、VB、VC、VAO、VBO、VCO、VYup、VYdown、DY13 、DY12 、DY11 、DY10 をそれぞれVD、VE、VF、VDO、VEO、VFO、VXup、VXdown、DX13 、DX12 、DX11 、DX10 とする)。
【0068】
図16はレベルシフト部49の構成を示しており、52、53、54はコンパレータであり、55は可変抵抗でVON、VOFF からVREF1を作っており、56、57、58はNチャネルMOSトランジスターであり、59、60、61は抵抗であり、62はインバーターである。
【0069】
図17にレベルシフト部49の動作例を示す。VA、VB、VCはDFA、DFB、DFCに入射する光エネルギーに応じたアナログ信号でVOFF 〜GNDの振幅がある。52、53、54のコンパレーターは、VA、VB、VCとVREF1を比較してVA、VB、VC>VREF1の時VONを、VA、VB、VC<VREF1の時VOFF を出力する。したがって、図17のVA、VB、VCが入力されると図17に示されるコンパレーター52、53、54の出力が得られ、MOSトランジスター56、57、58がソースフォロワとして動作しているので図17のVAO、VBO、VCOが得られる。
【0070】
X方向移動量検出部48に於けるレベルシフト部も図16に示すレベルシフト部49と同様な構成である(但し、VA、VB、VC、VAO、VBO、VCOをそれぞれVD、VE、VF、VDO、VEO、VFOとする)。
【0071】
図18はY方向移動量検出部に於けるシリアル信号発生部50の構成を示しており、SW01、SW02は66の出力信号Qによって制御されるスイッチでありQ=Highレベル時SW01、SW02ともオフ、Q=Lowレベル時SW01、SW02ともオンである。63、64は抵抗で、65はOR回路であり、66はクリアー機能付Dフリップフロップである。Dフリップフロップ66の具体例としてはTC74HC74APなどがある。
【0072】
図19はX方向移動量検出部に於けるシリアル信号発生部の構成を示しており、SW03、SW04は193の出力信号Qによって制御されるスイッチでありQ=Highレベル時SW03、SW04ともオフ、Q=Lowレベル時SW03、SW04ともオンである。190、191は抵抗で、192はOR回路であり、193はクリアー機能付Dフリップフロップである。193の具体例としてはTC74HC74APなどがある。
【0073】
194はパルス3分の1回路であり、図20で示される様な動作をする回路である。X方向移動量検出部に於けるシリアル信号発生部の構成及び動作はY方向移動量検出部に於けるシリアル信号発生部50と同様であるが、X方向移動量検出部に於けるシリアル信号発生部にはパルス3分の1回路194がある。
【0074】
図20にパルス3分の1回路194の動作例を示す。パルス3分の1回路194は入力信号VXup、VXdownを受け、出力信号VXup3、VXdown3を出力する回路であり、3つのVXupパルス毎にVXup3を1パルス図20の様に出力する(但し、VXupパルスが3パルスになる前にVXdownパルスが入力された場合、そのVXdownパルス数をVXupパルス数から引く)。また、3つのVXdownパルス毎にVXdown3を1パルス図20の様に出力する(但し、VXdownパルスが3パルスになる前にVXupパルスが入力された場合、そのVXupパルス数をVXdownパルス数から引く)。但し、パルス3分の1回路194に於いて、VXupとVXdownのパルスのカウント方法として、3パルスになるとリセットされパルス数のカウントは0になるものとする。
【0075】
図21はシリアル信号発生回路部50の動作例を示している。なお、tdelay 1はOR回路65の出力がHighレベルになり、Dフリップフロップの出力QがHighレベルになり、SW01、SW02がオフし、VYdown(又はVYup)がLowレベルになるまでの時間である。
【0076】
Dフリップフロップ66の出力QがHighの時SW01、SW02はオフしているのでVYup、VYdownには抵抗63、64を通しGND(この場合Lowレベル)が供給される。VBOがLowになるとDフリップフロップ66がクリアーされ(参考文献:東芝集積回路技術資料「ハイスピードC2MOS TC74HCシリーズ1992」)QがLowになりSW01、SW02はオンする。次にVAO、VCOどちらか一方にHighが入力されると、OR回路65の出力もHighになり、Dフリップフロップ66の出力QもHighになり結果としてSW01、SW02がオフするためVYup、VYdownがLowになる。
【0077】
図22はY方向移動量検出部に於けるパラレル信号発生部51の構成を示しており、67、68はカウンター(例えばTC74HC161AP)で、69、70、71、72はインバーターで220はAND回路で、73、74、75、76はフルアダー回路(参考文献:CQ出版社、猪飼國男/本多中二共著、ディジタル・システムの設計)で、フルアダー回路の構成例とカルノー図を図24に示す。
【0078】
図24の77は排他的論理和回路で78、79、80はNAND回路で、81は負論理入力OR回路である。
【0079】
図22はVYdownのパルス数からVYupのパルス数を補数を用いて引く減算回路の構成となっている。
【0080】
図25は、図22のパラレル信号発生部51の動作例を示している。パラレル信号発生部51は、VPSR 及びVXSTOP (後ほど説明)が両方Highレベルにならないと220の出力がLowレベルであるため、カウンター67及び68の出力は全てLowレベルである。よって、DY13 、DY12 、DY11 、DY10 はVYup及びVYdownがどのように変化しようとも全て“Low”となる。
【0081】
本実施例ではこの様に、VPSR 及びVXSTOP が両方Highレベル時のみ移動量を検出する(つまり、ペン入力状態でしかも初期座標データが検出されている時のみ移動量を検出可能とする)構成としているため、ペン入力装置の誤動作(意図しない情報が入力されてしまったり、初期座標データを検出できない内に移動量だけ意図しない場所に出力されてしまう)を防ぐことが可能である。
【0082】
VPSR 及びVXSTOP が両方Highレベル時は、カウンター67及び68からそれぞれVYup及びVYdownのパルス数に応じたカウント数が出力され、補数を用いて計算された値がフルアダー73、74、75、76から出力(DY13 、DY12 ,DY11 ,DY10 )される。
【0083】
図23はX方向移動量検出部に於けるパラレル信号発生部の構成を示しており、231、232はカウンター(例えばTC74HC161AP)で、233、234、235、236はインバーターで230はAND回路で、237、238、239、240はフルアダー回路(参考文献:CQ出版社、猪飼國男/本多中二共著、ディジタル・システムの設計)である。
【0084】
図23のX方向移動量検出部に於けるパラレル信号発生部はVXup3のパルス数からVXdown3のパルス数を補数を用いて引く減算回路の構成となっており、その構成及び動作はY方向移動量検出部に於けるパラレル信号発生部51と同様である。
【0085】
図26は図10の初期座標検出部36の構成を示している。初期座標検出部36はX方向の初期座標を検出するX方向初期座標検出部82とY方向の初期座標を検出するY方向初期座標検出部83で構成されている。
【0086】
図27にY方向初期座標検出部83の構成を示す。
【0087】
図27の84、92、85、93はコンデンサーであり、SW12、SW13はVPSR で制御されるスイッチでVPSR がHighの時オフ、VPSR がLowの時オンである。86、94はダイオードであり、87、95はオペアンプで88、96はコンパレータで89、97はVON、VOFF からそれぞれVREF2、VREF3を作る可変抵抗であり、90、98はPチャネルMOSトランジスターで91、99はNチャネルMOSトランジスターで、100はOR回路で、114はクリアー機能付Dフリップフロップ(例:TC74HC74AP)である。101はインバーターで、102はOR回路で、103はインバーターで、104はカウンター(例:TC74HC161)で、105、106、107、108は図24に示されるフルアダー回路である。
【0088】
図27の構成要素の動作をそれぞれ簡単に説明すると、コンデンサー84、85、ダイオード86でVBの高電圧側電圧変化をカットするクリップ回路を形成しており、ダイオード86の順電圧がショットキーバリアダイオードのように低ければ(この場合理想的に0Vとする)0V以上の電圧変化をオペアンプ87に入力させない動作をし、VBからVB−を作る(また、84のコンデンサーの容量値は85のコンデンサーの容量値よりも十分大きいことが望ましい)。87はボルテージフォロワであり入力信号をインピーダンス変換し出力する。88はコンパレータとして動作しており、VB−>VREF2の時VONをVB−<VREF2の時VOFF を出力する。90、91はレベルシフト回路として動作しておりコンパレータ88の出力を0V〜VDDの信号に変換する。
【0089】
コンデンサー92、93、ダイオード94でVBの低電圧側の電圧変化をカットするクリップ回路を形成しており、ダイオード94の順電圧がショットキーバリアダイオードのように低ければ(この場合理想的に0Vとする)0V以下の電圧変化をオペアンプ95に入力させない動作をし、VBからVB+を作る(また、92のコンデンサーの容量値は93のコンデンサーの容量値よりも十分大きいことが望ましい)。95はボルテージフォロワであり入力信号をインピーダンス変換し出力する。96はコンパレータとして動作しており、VB+>VREF3の時VOFF をVB+<VREF3の時VONを出力する。98、99はレベルシフト回路として動作しておりコンパレータ96の出力を0V〜VDDの信号に変換する。
【0090】
Dフリップフロップ114はCLKの立ち上がり時にHighを出力し、その後VPSR がLowになるまでVYSTOP =Highを維持する。
【0091】
104はカウンターとして動作しており、ENP=Low時カウンター動作ストップし、クリアー端子にLowが入力されると出力をLowにする。カウンター104の動作については参考文献(東芝集積回路技術資料「ハイスピードC2MOS TC74HCシリーズ1992」)などがある。
【0092】
105、106、107、108はフルアダー回路(具体的回路構成とカルノー図を図24に示す。参考文献:CQ出版社、猪飼國男/本多中二共著、ディジタル・システムの設計)として動作しており、カウンター104の出力にDYa3 、DYa2 、DYa1 、DYa0 を加える。DYa3 、DYa2 、DYa1 、DYa0 はDY03 、DY02 、DY01 、DY00 の初期状態を決めるためのもので、アレイ基板8やペン入力デバイス1や表示装置10や液晶層24の温度特性等のため図26の83によるY方向初期座標検出に誤差が生じた場合、図1のペン入力装置を使う使用者が任意に設定して調整するための信号であり、スイッチ(図示せず)などでHigh、Low信号を入力する。また、この信号は製品完成時に調整し入力し固定してもよく、基本的にペン入力装置の座標検出精度を向上させるもので、実際これによりペン入力装置の個体差および温度特性等による誤差をおさえることができる。
【0093】
270は立ち上がりエッジ検出回路であり、図29に示される様にその出力はSTVの立ち上がりエッジ後直ちにHighになるがその後すぐLowになる。尚、このSTVはライン同期信号、CPVは画素同期信号である。
【0094】
Y方向初期座標検出部83の動作を図28に示す。
【0095】
図11のシステムリセットVPSR =Highの時SW12、SW13はオフであり、VPSR =Lowの時SW12、SW13はオンである。SW12、SW13がオンしている時VB+、VB−はGND(86、93の順電圧は理想的に0Vとする)であり、VREF2、VREF3を図28の様に設定するとコンパレータ88、96の出力はVONとなりOR回路100の出力はLowとなり、VPSR =LowであるのでVYSOTPはLowである。この時ENP=Highであるのでカウンター104はカウントを行う。その後VPSR =Highになり、SW12、SW13がオフし、VBに電圧変化が生じ図28に示される様なオペアンプ87及び95の出力が得られるとVB−<VREF2となったときOR回路100の出力がLowからHighになるのでVYSTOP =Highとなり、ENP=Lowとなるのでカウンタ104のカウント動作は停止してtcount時間にカウントされたカウント数を保持し、フルアダー105、106、107、108に出力する。フルアダー105、106、107、108はカウンタ104の出力にDYa3 、DYa2 、DYa1 、DYa0 を加算しDY03 、DY02、DY01、DY00 として出力する。
【0096】
また、カウンタ104の動作から明らかな様に、VYSTOP =Low時にSTV=Highになるとカウンタ104の出力はクリアーされ全てLowになる。
【0097】
1CPV期間は、図1のCs線駆動部9が動作している時(VPSR =High、VYSTOP =Low)、隣接するCs線に於いて、Cs線にVONが印加されるまでの時間差に相当し、STVで104がリセットを掛けられることで、図27に示す回路は、Cs線駆動部9がVYSTOP =Highになった時何番目のCs線を走査していたのかを、CPVをカウンタ104でカウントすることで検出する。つまり、VYSTOP =Highになった時(DY03 ,DY02 ,DY01 ,DY00 )=(0,0,1,1)ならば、VYSTOP =Highになった時ゲート線駆動部3は3番目のゲート線を駆動していたことになる(但し、DYa3 、DYa2 、DYa1 、DYa0 はそれぞれLowレベル“0”である)。
【0098】
図30は図1のX駆動部4の構成を示しており、SWX1、SWX2、SWX3はAND回路350で制御されるスイッチで350の出力がHighの時オンで350の出力がLowの時オフである。
【0099】
SWX4、SWX5、SWX6はクリアー機能付Dフリップフロップ(例:TC74HC74AP)115で制御されるスイッチでDフリップフロップ115の出力QがHighの時オンでDフリップフロップ115の出力QがLowの時オフである。
【0100】
SWX7、SWX8(図示せず)、SWX9(図示せず)はクリアー機能付Dフリップフロップ(例:TC74HC74AP)116で制御されるスイッチで116の出力QがHighの時オンで116の出力QがLowの時オフである。
SWXn−2、SWXn−1、SWXnはクリアー機能付Dフリップフロップ(例:TC74HC74AP)117で制御されるスイッチで117の出力QがHighの時オンでDフリップフロップ117の出力QがLowの時オフである。
【0101】
SWX7とSWXn−2の間にはDフリップフロップ115と同様なクリアー機能付Dフリップフロップ(図示せず)で制御されるスイッチSWX8〜SWXn−3(図示せず)が設けられており、図30に示したスイッチと同様に制御されている。つまり、3つのスイッチが同じクリアー機能付Dフリップフロップで制御されている。従って、SWX8〜SWXn−3のスイッチ数を3で割った数のクリアー機能付Dフリップフロップがある。118及びAND回路350はAND回路であり、119はインバーター回路である。
【0102】
図31にX駆動部4の動作例を示す。排他的論理和回路120(図1参照)、AND回路118、インバータ119、AND回路350の動作から明らかな様にVYSOTP=VXSTOP の時排他的論理和回路120の出力はLowでSW1〜SWnはオンするが、VYSOTP≠VXSTOP の時排他的論理和回路120の出力はHighでSW1〜SWnはオフする。
【0103】
SWX1〜SWXnはVYSOTP=High及びVXSTOP =Low及びVPSR =Highの時選択的にオンするが、VXSTOP =High又はVPSR =Lowの時全てオフする。従って、SW1〜SWnがオンしSWX1〜SWXnがオフしている時信号線(S1−Sn)には2の出力に応じた信号線電圧が書き込まれている。
【0104】
SW1〜SWnがオフしSWX1〜SWXnが選択的にオンしている時、選択された信号線(S1−Sn)にはCPVのタイミングに応じてVONが書き込まれていく。また、信号線は図31で示されている通り、3つの信号線に同じタイミングでVONが書き込まれている。(例:S1とS2とS3に同じタイミングでVONが書き込まれている)図31に於いて、Snは信号線Snに印加される信号線電圧を意味する。
【0105】
図32に図26のX方向初期座標検出部82の構成を示す。図32において、121、122、123、124はコンデンサーで、SW14、SW15はVYSTOP で制御されるスイッチでありVYSTOP =Highの時オフでVYSTOP =Lowの時オン。125、126はダイオードであり、127、128はオペアンプで129、130はコンパレータで131、132はVON、VOFF からそれぞれVREF4、VREF5を作る可変抵抗であり、133、135はPチャネルMOSトランジスターで134、136はNチャネルMOSトランジスターで、137はOR回路で、138はクリアー機能付Dフリップフロップ(例:TC74HC74AP)である。140はインバーターで、139はOR回路で、141はカウンター(例:TC74HC161)で、142、143、144、145は図24に示されるフルアダー回路である。
【0106】
図32の構成要素の動作をそれぞれ簡単に説明すると、コンデンサ121、123、ダイオード125でVBの高電圧側電圧変化をカットするクリップ回路を形成しており、ダイオード125の順電圧がショットキーバリアダイオードのように低ければ(この場合理想的に0Vとする)0V以上の電圧変化をオペアンプ127に入力させない動作をし、VBからVBX−を作る(また、121のコンデンサーの容量値は123のコンデンサーの容量値よりも十分大きいことが望ましい)。オペアンプ127はボルテージフォロワであり入力信号をインピーダンス変換し出力する。
【0107】
129はコンパレータとして動作しており、VBX−>VREF4の時VONをVBX−<VREF4の時VOFF を出力する。133、134はレベルシフト回路として動作しておりコンパレータ129の出力を0V〜VDDの信号に変換する。
【0108】
コンデンサ122、124、ダイオード126でVBの低電圧側の電圧変化をカットするクリップ回路を形成しており、ダイオード126の順電圧がショットキーバリアダイオードのように低ければ(この場合理想的に0Vとする)0V以下の電圧変化をオペアンプ128に入力させない動作をし、VBからVBX+を作る(また、122のコンデンサーの容量値は124のコンデンサーの容量値よりも十分大きいことが望ましい)。128はボルテージフォロワであり入力信号をインピーダンス変換し出力する。
【0109】
130はコンパレータとして動作しており、VBX+>VREF5の時VOFF をVBX+<VREF5の時VONを出力する。135、136はレベルシフト回路として動作しておりコンパレータ130の出力を0V〜VDDの信号に変換する。Dフリップフロップ138はCLKの立ち上がり時にHighを出力し、その後VPSR がLowになるまでVXSTOP =Highを維持する。
【0110】
141はカウンター(例:74HC161)として動作しており、ENP=Low時カウンター動作ストップし、クリアー端子にLowが入力されると出力をLowにする。カウンタ141の動作については参考文献(東芝集積回路技術資料「ハイスピードC2MOS TC74HCシリーズ1992」)などがある。142、143、144、145はフルアダー回路(加算回路)(図24参考、参考文献:CQ出版社、猪飼國男/本多中二共著、ディジタル・システムの設計)として動作しており、カウンタ141の出力にDXa3 、DXa2 、DXa1 、DXa0 を加える。DXa3 、DXa2 、DXa1 、DXa0 はDX03 、DX02 、DX01 、DX00 の初期状態を決めるためのもので、アレイ基板8やペン入力デバイス1や表示装置10や液晶層24の温度特性等のためX方向初期座標検出部82によるX方向初期座標検出に誤差が生じた場合図1のペン入力装置を使う使用者が任意に設定して調整するための信号であり、スイッチ(図示せず)などでHigh、Low信号を入力する。また、この信号は製品完成時に調整し入力し固定してもよく、基本的にペン入力装置の座標検出精度を向上させるもので、実際これにより個体差および温度特性等による誤差をおさえることができる。
【0111】
図33はX方向初期座標検出部82の動作を示しており、オペアンプ127の出力<VREF4となりコンパレータ129がVOFF を出力しOR回路137の出力が0V〜VDDに変化しDフリップフロップ138の出力VXSTOP がHighになる。すると、カウンタ141のENP=Lowとなり、カウンタ141のカウント動作はストップする。従って、VYSTOP =HighになってVXSTOP =Highになるまでの期間カウンタ141はカウントしその後VPSR =Lowになるまでその値を維持する。X方向初期座標検出部の基本動作及びその基本構成はY方向初期座標検出部と同様である。
【0112】
図34に図10のY座標検出部39の構成を示す。図34において、109、110、111、112はそれぞれ図24に示される様なフルアダー回路であり、これらで加算回路を構成し、DY03 −DY00 にDY13 −DY10 を加算し、DY3、DY2、DY1、DY0を出力している。
【0113】
DY3、DY2、DY1、DY0はペン先15の表示装置10上の位置を示しており、(DY3,DY2,DY1,DY0)=(0,0,1,1)ならばCs線C3で制御される画素電極上(ゲート線G3で制御されるTFTによって制御される画素電極上)にペン先15が配置しており、(DY3,DY2,DY1,DY0)=(0,1,1,1)ならばCs線C7で制御される画素電極上(ゲート線G7で制御されるTFTによって制御される画素電極上)にペン先15が配置していることを示している。
【0114】
また、X座標検出部の構成も図34に示したY座標検出部の構成と同様である(但し、DY03 −DY00 、DY13 −DY10 、DY3、DY2、DY1、DY0をDX03 −DX00 、DX13 −DX10 、DX3、DX2、DX2、DX0とする)。
【0115】
図35に図1のCs線駆動部9の構成を示す。図35の146はVYSTOP の信号をtcsディレイさせて出力するディレイ回路であり、SWZ1〜SWZlはVYSTOP で制御されるスイッチでVYSTOP =Lowの時オンしVYSTOP =Highの時オフするがディレイ回路146があるためVYSTOP がLow〜Highに変化してもすぐにはオフせず、tcs後オフする。
【0116】
147は排他的論理和回路であり、148はパルス幅変調回路であり図37の様にSTVのパルス幅を任意の幅に変調し、パルス幅を何倍にするかは任意に設定可能である。149、150、151、152はクリアー機能付Dフリップフロップ(例:TC74HC74APの様な動作をする)であり全て図示していないが実際はこれがCs線の数だけある。レベルシフト回路はそれぞれのクリアー機能付フリップフロップからHighが入力された時VONを出力し、Lowが入力された時VOFF を出力する。
【0117】
図36に、図35で示したCs線駆動部の動作を示す。VYSTOP =LowでVPSR =Highになると排他的論理和147の出力がHighになるため、149、150、151、152は(図示していない他のクリアー機能付Dフリップフロップも同様)CPVの立ち上がりエッジに同期して入力データを出力し再度CPVの立ち上がりエッジが入力されるまでその出力を保持する。従って、図36のCPV、STVが入力されると図36のVC1、VC2、VC3を出力する(VC1はCs駆動部が出力しC1に印加する電圧を意味する他のVC2〜VClについても同様である)。なお、148はパルス幅を2倍に変調しており、VPSR =High時にVYSTOP =Highになると、排他的論理和147の出力がLowになるためCs駆動部の出力(VC1〜VCl)が一端全てVOFF になり、その後tcs遅れでSWZ1〜SWZlがオフし出力をハイインピーダンス状態にする。従って、Cs線(Cs1〜Csl)には電圧が直接供給されない。なお、148によるパルス幅変調は液晶層24の応答速度(電圧が印加されてから光学特性が変化するまでの時間で通常輝度変化の10%〜90%までの時間を指す)に応じて変更すべきであり、応答時間の長い場合パルス幅を長くして、応答時間の短い場合パルス幅を短くするのが望ましい。
【0118】
図38に図1のゲート線駆動部3の動作を示す。ゲート線駆動部3はVPSR =HighでVXSTOP =Lowの時、アレイ基板8上のTFTが全てオフするようにVOFF をゲート線(G1−Gm)にいったん書込む。その他の期間は正常動作しており、図38に示す様CPV、STVのタイミングによりG1、G2、G3…(ここではゲート線G1、G2、G3…に書き込まれる電圧を意味する)を出力する。
【0119】
図39に図1の信号線駆動部2の動作例を示す。本実施例において、対向電極32に印加されている対向電極電圧はGND(表示特性に応じて調整可能であるが対向電極32には直流電圧を印加する)であり、信号線の信号線電圧がGNDよりも高電位側のとき正極性とし、信号線の信号線電圧がGNDよりも低電位側のとき負極性とし、2はn−1フレームとn+1フレーム時(又はn−1ラインとn+1ライン時)に奇数番目の信号線(S1、S3、S5、…Sn−1)に負極性の信号線電圧を書込み、偶数番目の信号線(S2、S4、S6、…Sn)に正極性の信号線電圧を書込む。また、nフレーム時(又はnライン時)に奇数番目の信号線(S1、S3、S5、…Sn−1)に正極性の信号線電圧を書込み、偶数番目の信号線(S2、S4、S6、…Sn)に負極性の信号線電圧を書込む。
【0120】
上述した極性の切り替えがフレーム毎の時を信号線反転駆動又は電源レベルシフト駆動(参考文献:土田他、ITE ’94「5VドライバICによる信号線反転駆動の実現」)と呼び、ライン毎の時をドット反転駆動と呼ぶ。これらの駆動法の参考文献として(日経BP社、フラットパネルディスプレイ1994〜1995、日経BP社、日経マイクロデバイス1992年6月号、Ikeda、N他、1992、Society For Information Display 1992 International Symposium、講演番号5.6、May1992)などがある。
【0121】
以下に本発明にかかわるペン入力表示装置の実際の動作を説明していく。以下の説明に於いて、特に断りがない場合、VDD=5V、VCC=−5Vである。
【0122】
図40にt=t1におけるペン先15の表示装置10上での位置を示す。
【0123】
図40に於いて、A、B、C、D、E、Fはそれぞれフォトダイオードアレイ17のA受光面、B受光面、C受光面、D受光面、E受光面、F受光面であり、S1、S2、S3…は信号線であり、G1、G2、G3…はゲート線である。信号線及びゲート線上には図5のブラックマトリックス29が配置されている(図40では図が複雑になるのを避けるため、ブラックマトリックス29と信号線またはゲート線を同じ線として表している。また、ゲート線がブラックマトリックスの役割をする場合(参考文献:T.Ueda et al.SID93Digest 739−742)やブラックマトリックス29がアレイ基板8上に存在する場合(参考文献:日経BP社、フラットパネルディスプレイ1990〜1995、日経BP社、日経マイクロデバイス1991年4月号−1994年7月号)も同様に取り扱うことが可能である。このブラックマトリックス29の詳細については参考文献(日経BP社、フラットパネルディスプレイ1994〜1995、日経BP社、日経マイクロデバイス1991年4月号−1994年7月号)などがある。
【0124】
図40のG1S1はG1とS1で制御されるTFTにつながっている画素電極面(画素電極)を示しており、画素電極上には図4、図5で示された通り液晶層24と着色層30が配置されている(参考文献:日経BP社、フラットパネルディスプレイ1994〜1995、日経BP社、日経マイクロデバイス1991年4月号−1994年7月号)。G1S2、G2S1もG1S1と同様であり、他の画素電極面も同様である(例えば、Dの下にあるG3S4など)。
【0125】
また、着色層30にはR着色層、G着色層、B着色層の三種類があり、S1、S4、S7…で制御されるTFTに繋がっている画素電極面上にはR着色層が、S2、S5、S8…で制御されるTFTに繋がっている画素電極面上にはG着色層が、S3、S6、S9…で制御されるTFTに繋がっている画素電極面上にはB着色層がそれぞれ配置されており、他の画素電極面上にもこのような順番で各着色層が配置されている。
【0126】
図41に、VPSR がHighになり、ゲート線駆動部3の出力が全てVOFF になり、Cs線駆動部9が動作している時の画素電極電圧のタイミングを示す。CPVとVC3のタイミングについては図36で示した通りである。
【0127】
VPG3S4 はG3S4に書き込まれている電圧であり、VPG3S6 はG3S6に書き込まれている電圧であり、VPG3S5 はG3S5に書き込まれている電圧である。
【0128】
t=t1時、G3S4にはVDDがG3S6にはGNDがG3S5にはVCCが印加されており、対向電極電圧がGNDのため図42に示した表示特性のV−T特性より(参考文献:日経BP社、フラットパネルディスプレイ1990〜1995、日経BP社、日経マイクロデバイス1992年6月号)、G3S4には黒がG3S5には黒がG3S6にはブルーが表示されている(表示装置はノーマリーホワイト)。t=t2時各画素電圧には突き上げ電圧が生じているが、これを以下に説明する。
【0129】
図43に、本実施例に於けるアレイ基板8に於ける画素容量モデルを示す(参考文献:鈴木他、テレビジョン学会誌 Vol.47、No.5、pp649−655、富田他、EID91−120pp29−pp34、日経BP社、フラットパネルディスプレイ1990〜1995)。
【0130】
図43に於いて、G3は図40のゲート線をS6は図40の信号線をC3は図40のCs線を示し、Csig,gは1画素における信号線とゲート線のカップリング容量を、CgsはTFTのゲートと画素電極のカップリング容量を、CLCは1画素における対向電極25と画素電極間の液晶容量を、Csは画素電極とCs線とのカップリング容量(補助容量)を、Cg,comは1画素におけるゲート線と対向電極25のカップリング容量を、Cp,sigは1画素における信号線と画素電極G3S6のカップリング容量を、Csig,csは1画素における信号線とCs線のカップリング容量をそれぞれ示す。
【0131】
本実施例に関わる表示装置10の画素容量は、図43に示した画素容量モデルで表現することが可能である。
【0132】
この様な画素容量モデルにおいて、t=t1時にG3=VOFF 、VPG3S6 =0V、S6=0V、C3=VOFF であるとするとG3S6に蓄えられている電荷QG3S6(t1)はCp、sigの影響を無視すると
QG3S6(t1) =−VOFF *(Cs +Cgs)[C] …(1)となり、t=t2時にG3=VOFF 、C3=VON、VPG3S6 =VPG3S6 (t2)、S6=0VであるとするとTFTがオフしているのでG3S6に蓄えられている電荷QG3S6(t2)は

Figure 0003866336
但し、VPG3S6 (t2)はt=t2時のG3S6の電位である。また、TFTがオフしているので
QG3S6(t1)= QG3S6(t2) …(3)となり、(1)、(2)、(3)式を計算すると、
Figure 0003866336
となり、(4)式で表されるVPG3S6 (t2)が得られる。ここで具体的数値として、VON=25V、VOFF =−10V、Cs=0.5PF、Cgs=0.02PF、CLC=0.3PFとすると、
VPG3S6(t2) = 21.34V …(5)
となる。但し、小数点3桁以下は四捨五入した。
【0133】
よって、VPG3S6 が0V〜21.34Vに変化することが示された(VPG3S4 は5V〜26.34V、VPG3S5 は−5〜16.34Vに変化)。このVPG3S6 の変化分を、突き上げ電圧と呼び(ここではCs線による突き上げ電圧である)、ここではC3がVOFF 〜VONに変化した際生じる突き上げ電圧は21.34Vとなる。
【0134】
図44に、本実施例にかかわるバックライト11の相対出力及び各着色層30の透過率特性及びフォトダイオードアレイ17のフォトダイオード(DFA、DFB、DFC、DFD、DFE、DFF)の受光感度特性を示す。
【0135】
図44(a)はバックライト11の相対出力を示しており横軸は波長を縦軸は最大出力を100%と正規化した相対出力を示しており、波長430nm〜440nm、540nm〜550nm、610nm〜620nmに於いて同等に最大相対出力100%が出力されているが他の帯域では、相対出力0%で出力されていない。
【0136】
図44(b)は各着色層の透過率特性を示しており、横軸に波長を縦軸に最大透過率を100%と正規化した相対透過率を示している。B着色層では波長400nm〜500nmに於いて透過率100%で他の帯域では0%である。G着色層では波長500nm〜600nmに於いて透過率100%で他の帯域では0%である。R着色層では波長600nm〜700nmに於いて透過率100%で他の帯域では0%である。
【0137】
図44(c)はフォトダイオードの受光感度特性を示しており、横軸には波長を縦軸には最高感度波長での感度を100%と正規化した相対感度(%)を示している。この様にフォトダイオードの受光感度特性は波長に対して均一ではない。従って、放射束が同じでも波長成分が著しく異なっていると得られるフォトダイオードの出力電流も異なってしまうのである。
【0138】
図45にフォトダイオードDFBの受光面に入射する入射光の様子を示す。図45(a)はt=t1に於ける受光成分を示しており、t=t1時図41で示されている通りVPG3S5 =VCC、VPG3S6 =GND、VPG3S4 =VDDであるため図42より、G3S5とG3S6とG3S4を合わせ青色が表示されている。図45(b)はt=t2に於けるフォトダイオードDFBの受光成分を示しており、前述の通りの電圧設定になっているため図42より、G3S5とG3S6とG3S4を合わせ黒色が表示されている。なお、図45(a)、(b)の横軸は波長を、縦軸は最大入力を100%と正規化したフォトダイオードDFBの受光面に入射する放射束の相対入力を示す。
【0139】
なお、液晶層24には電圧が印加されてから光学特性が変化するまでの時間が存在する。これを一般に応答速度(参考文献:工業調査会「液晶ディスプレイのすべて」佐々木/苗村著、講談社サイエンティフィク「液晶材料」くさ林編)と呼び、TN液晶で20msec程である。図36に示したCs線駆動部の出力電圧(VC1、VC2、…、VCl)のパルス幅(VONを出力している時間)は2CPV分であるが、このパルス幅は液晶層の応答速度に応じて変えるのが望ましく、VGAクラスでは1CPV期間(1走査期間)約40μsecであるので、TN液晶では2CPV分以上とるのが望ましく(より望ましくは5CPV〜400CPVの間で、もっとより望ましくは10CPV〜300CPVの間である)、応答速度が200μsec程の反強誘電性液晶や強誘電性液晶では1CPV分以上とるのが望ましい(より望ましくは1CPV〜200CPVの間で、もっとより望ましくは2CPV〜100CPVの間である)。また、SVGAクラスでは、1CPV期間が約32μsecであるので、それぞれの液晶材料に於いて、VGAクラスの1.25倍のパルス幅をとるのが望ましく、XGAクラスでは1CPV期間が約25μsecであるので、それぞれの液晶材料に於いて、VGAクラスの1.6倍のパルス幅をとるのが望ましい。つまり、TN液晶ではパルス幅を80μsec以上とるのが望ましく(より望ましくは200μsec〜16000μsecの間で、もっとより望ましくは400μsec〜12000μsecの間である)、応答速度が200μsec程の反強誘電性液晶や強誘電性液晶ではパルス幅を40μsec以上とるのが望ましい(より望ましくは40μsec〜8000μsecの間で、もっとより望ましくは80μsec〜4000μsecの間である)。
【0140】
なぜなら、図46(a)〜(c)に示した様に各液晶材料によって、応答速度は著しくことなり、Cs線駆動部の出力電圧(VC1、VC2、…、VCl)のパルス幅が十分長くないと、液晶相24の透過率変化が十分生じず、光信号変換部34のフォトダイオードで表示装置10の光透過率変化を正確に検出できず、初期座標検出の誤検出が生じてしまう。例えば応答速度が20msecのTN液晶で1CPVが20μsecで表示装置10の最大輝度が100[cd/mm2 ]の場合、Cs線駆動部の出力電圧(VC1、VC2、…、VCl)のパルス幅が1CPV期間であれば、表示装置10の光透過率変化として約0.1%程しか生じず(輝度変化としては約0.1[cd/mm2 ]である)、これを高性能なフォトダイオードで検出できたとしてもこの程度の変化は外部光及びバックライトの輝度変化として生じる可能性があり、その都度誤動作してしまう。Cs線駆動部の出力電圧(VC1、VC2、…、VCl)のパルス幅を2CPV期間とすれば、表示装置10の光透過率変化として約0.2%程生じ(輝度変化としては約0.2[cd/mm2 ]である)、雑音に対して強くなるため、誤動作を少なくすることが可能である。なお、図46の(a)〜(c)に於いて、縦軸は液晶印加電圧及び透過率を示し、横軸は時間を示す。
【0141】
説明をもとに戻すと、図45の(a)と(b)に示されるフォトダイオードDFBの受光面に入射する放射束変化及びフォトダイオードDFBの受光感度特性のため(表示が青色から緑色に変化した場合等)、フォトダイオードDFBに出力変化が生じる。図45の(c)と(d)はそれぞれフォトダイオードの受光感度特性を考慮した場合の受光成分を示しており横軸に波長を、縦軸にフォトダイオードの受光感度特性を考慮した場合の最大入力を1.0と正規化したフォトダイオードの受光面に入射する放射束の相対入力を示す。(c)と(d)からt=t1〜t=t2に於いてフォトダイオードの受光感度特性を考慮した場合フォトダイオードの受光面に入射する放射束の相対入力が変化し、結果として図13からフォトダイオードの出力電流が変化する。
【0142】
以上を考慮し、本実施例に関わる初期座標検出方法を具体的に説明する。
【0143】
以下に、表示装置10上に於けるペン先15のY方向初期座標検出の詳細を説明する。
【0144】
使用者がペン先15を図40に示す表示装置の位置に配置したとするとVPSR がHighになり、ゲート線駆動部3の出力が全てVOFF になり、Cs駆動部9が動作し始め、図27のSW12、SW13がオフし、その時バックライト11からG3S4、G3S6、G3S5を通してくる放射束に応じた出力電流がDFBに流れ、図12の光信号変換部34によって図12のようにDFBの出力電流に応じたVBが得られ、コンデンサ84と92にVBが保持される(但し、SW12、SW13はコンデンサ84、92にVBが書き込まれた後オフする)。その後図41に示すタイミングで突き上げ電圧が生じ、液晶層24の光学的変化によりフォトダイオードの出力電流が減少しVBが上昇すると図27のコンデンサ92、93、ダイオード94の動作から明らかな様に図47に示す様にオペアンプ95の出力も上昇し、オペアンプ95の出力がVREF3以上になるとコンパレータ96はVOFF を出力し、OR回路100の出力はHighになる。ペン先15が表示装置として接触しているのでVPSR =Highであり、結果として図47に示すタイミングでVYSTOP =Highになる。
【0145】
VYSTOP =Highになるタイミングは、ペン先15が表示装置のY方向のどの位置にあるかによって左右される。なぜなら、生じる突き上げ電圧はCs線電圧が立ち上がることによって生じ、各Cs線のVONが立ち上がるタイミングは図36で明らかな様にSTV、CPVのタイミングによって決まっており、C1ならばSTVがHighになった後1CPVでVONが立ち上がり、C2ならば2CPVでVONが立ち上がり、C3ならば3CPVでVONが立ち上がり、CmならばmCPV(ここではCPVの立ち上がりエッジをSTVの立ち上がりから数えm個目にVCm=VONになるが、その時間を意味する)でVONが立ち上がる。
【0146】
図27に示したY方向初期座標検出部83は、図28に示す通り、tcount 期間カウントされたCPVの値を検出保持することができるので、ここでは104によって3CPV(QA=High、QB=High、QC=Low、QD=Low)がカウントされ、補正値をDYa3 =Low、DYa2 =Low、DYa1 =Low、DYa0 =Lowとすれば、DY03 =Low、DY02=Low、DY01=High、DY00=High(十進数では3を意味する)となり、ペン先15の表示装置10上のY方向の座標が検出された。なお、本実施例で使用した液晶層24の応答速度は約50μsec程度と十分速いものであるとしている。
【0147】
仮に液晶層24の応答速度が遅く104によって10CPV(QA=Low、QB=High、QC=Low、QD=High)がカウントされても補正値をDYa3 =High、DYa2 =Low、DYa1 =Low、DYa0 =High(Cs線数を15本としている)とすればDY03 =Low、DY02 =Low、DY01 =High、DY00 =High(十進数では3を意味する)となり、液晶層24の応答速度を補正する事が可能である。
【0148】
以上によって、Y方向の初期座標(DY03 =Low、DY02 =Low、DY01 =High、DY00 =High)が検出された。なお、本実施例ではTFTがオフした後、Cs線駆動部9により突き上げ電圧が生じるため画素電極に信号線電圧を書き込む際生じる表示装置10の輝度変化によって初期座標検出部が誤動作することなく、突き上げ電圧によって生じる表示装置10上の輝度変化のみを初期座標検出部が検出するので高精度な初期座標検出が実現されている。TFTがオフしてからCs線駆動部9が動作するまでの期間は、TN液晶で100μsec以上(より望ましくは1msec以上)、強誘電液晶や反強誘電液晶では5μsec以上(より望ましくは20μsec以上)とるのが望ましい。
【0149】
DY3、DY2、DY1、DY0の値はペン先15がアレイ基板8の上から何番目のCs線で制御される画素電極(TFTを介して、アレイ基板8の上から何番目のゲート線で制御される画素電極)上にあるのかを示しており、ここではアレイ基板8の上から3番目(C3)のCs線で制御される画素電極上に位置していることを示している。DY3、DY2、DY1、DY0の値はペン先15がアレイ基板8の上から何番目のCs線で制御される画素電極上にあるのかを2進数で示しており、(DY3=Low、DY2=Low、DY1=Low、DY0=High)はペン先15がアレイ基板8の上から1番目のCs線で制御される画素電極上に位置していることを示し、(DX3=Low、DX2=Low、DX1=High、DX0=Low)はペン先15がアレイ基板8の上から2番目のCs線で制御される画素電極上に位置していることを示し、(DX3=Low、DX2=Low、DX1=High、DX0=High)はペン先15がアレイ基板8の上から3番目のCs線で制御される画素電極上に位置していることを示している。
【0150】
この様にCs駆動部9の動作とY方向初期座標検出部83の検出のタイミング(図47)からY方向の初期座標を検出することが可能である。
【0151】
液晶層24の光学特性変化によって初期座標を検出する際(本実施例では突き上げ電圧によって液晶層24の光学特性変化を生じさせている)、正極性の信号線によって書き込まれ画素電極電圧がVDDである画素電極に突き上げ電圧が生じても図42に示す様な液晶層24の光学特性のため、初期座標検出用光センサーの受光面がその画素電極上からの光を支配的に受光したのでは、その画素電極上の光学特性変化が生じないため、初期座標検出が行えない。
【0152】
本実施例では、初期座標検出用光センサーの受光面をX方向が最も長くなる様に配置した場合の受光面のX方向の長さが、図40に示した様に、1画素電極のX方向の長さよりも長く、画素電極図39に示した様に信号線駆動部2が隣合う信号線が常に逆極性になる様動作するため、X方向の隣合う画素電極も同様に常に逆極性であり、初期座標検出用光センサーの受光面が、隣合う2つ以上の画素電極からの光を受光し、1つの画素電極からの光を支配的に受光することがないので(1つの画素電極からの光成分は99%以下で、最高でも80%以下が望ましい)、図41〜49に示した様に初期座標検出用光センサーの受光状態に変化が生じ、安定した初期座標が可能である。
【0153】
また、信号線駆動部2が液晶層24を駆動する電圧をVDD=4V〜−4Vとし(図42で分かる通り透過率特性が飽和しない状態を維持する)、液晶層24の実力以下の低コントラスト状態で動作させていれば、画素電極電圧が何Vであっても突き上げ電圧より画素電極上の光学特性変化が生じる。
【0154】
次に、表示装置10上に於けるペン先15のX方向初期座標検出について説明する。
【0155】
VPSR =High、VYSTOP =Highになり、Y方向の初期座標(DY03 =Low、DY02 =Low、DY01 =High、DY00 =High)が検出されると、図36に示される様にCs線駆動部9の出力は一端VOFF になりその後ハイインピーダンス状態になり、Cs線には直接電圧が供給されず図43に示す各画素容量(Csig,cs、Cs等)によって電位が保たれる。
【0156】
また、図1の排他的論理和回路120の出力はHighになり、SW1〜SWnは全てオフする。さらに、図30に示すX駆動部4の動作から明らかな様に図31に示される様な信号線電圧がS1〜Snに書き込まれていく。
【0157】
ここで、以上の場合の画素電極電圧VPG3S6 の変化を説明する。図48はCs線駆動部9の出力がハイインピーダンス状態で、TFTが全てオフしている時の画素容量モデルを示しており(但し、Cg,comの影響は少ないと考えられるので以下では無視する)、図48のG3S6とS6間の容量(CG3S6−S6)を計算すると以下の様になる。
【0158】
Figure 0003866336
従って、S6の電圧変化ΔVS6によって生じるVPG3S6 の電圧変化ΔVPG3S6 は以下の様になる。
【0159】
ΔVPG3S6 =CG3S6- S6/(CG3S6- S6+CLC)*ΔVS6
となる。具体的数値として、Cp,sig=0.01PF、Cgs=0.02PF、Csig,g=0.05PF、Cs=0.5PF、CLC=0.4PF、ΔVS6=25V、Csig,cs=0.2PFとすると、
CG3S6−S6=0.1PF
ΔVPG3S6 =5.0V
となる。
【0160】
以上の結果より、図49(図49に於ける、S6は信号線S6に印加される信号線電圧を示している)に示すVPG3S6 が得られるのは明らかであり(VPG3S6 のt=t4〜t=t6の電圧変化分をX駆動部による突き上げ電圧と呼ぶ)、図41〜図45で説明したフォトダイオードの出力電流変化が生じ、図32のX方向初期座標検出部82の動作から明らかなように、図49に示すオペアンプ127の出力及びVXSTOP が得られる(但し、t=t4時のVPG3S4 、VPG3S6 、VPG3S5 及びフォトダイオードの受光面に入射する入射光の受光成分はt=t1時のそれと同等であり、t=t6時のフォトダイオードの受光面に入射する入射光の受光成分はt=t2時のそれと同等である)。また、カウンタ141の動作から図49に示す141の出力QA=High、QB=Low、QC=Low、QD=Lowが得られ、補正DXa3 =Low、DXa2 =Low、DXa1 =Low、DXa0 =Low(この補正値もY方向初期座標検出部83のそれと同様な使い方が可能である)とすれば、DX03 =Low、DX02 =Low、DX01 =Low、DX 00=Highが得られる。
【0161】
但し、本実施例では、X駆動部4によって突き上げ電圧を発生させる前に図36のようにCs線をCs線駆動部から切り放しているため、突き上げ電圧が画素電極に生じ、生じた突き上げ電圧を維持しておくことが可能である。仮にCs線がCs線駆動部から切り放されていなければ、Cs線電位はCs線駆動部から供給される電位を維持しているため突き上げ電圧は画素電極に生じない。仮にCsのシート抵抗が高く、突き上げ電圧が生じてもCs線電位はいずれCs線駆動部から供給される電位に変化するため、生じた突き上げ電圧もその後Cs線電位に引っ張られてしまい所望する突き上げ電圧は生じない。
【0162】
以上によって、X方向の初期座標(DX03 =Low、DX02 =Low、DX01 =Low、DX00 =High)が検出された。
【0163】
DX3、DX2、DX1、DX0の値はペン先15がアレイ基板8の左から何番目の信号線で制御される画素電極(TFTを介して制御される)上にあるのかを示しており、本実施例に於ける図40から図49ではアレイ基板8の左から4〜6番目(S4〜S6)の信号線で制御される画素電極上に位置していることを示している。
【0164】
DX3、DX2、DX1、DX0の値はペン先15がアレイ基板8の左から何番目の信号線で制御される画素電極(TFTを介して制御される)上にあるのかを2進数で示しており、図30に示すX駆動部4の動作から明かな様にS1〜S3、S4〜S6…を同時に駆動しているので、(DX3=Low、DX2=Low、DX1=Low、DX0=Low)はペン先15がアレイ基板8の左から1〜3番目の信号線で制御される画素電極(TFTを介して制御される)上に位置していることを示し、(DX3=Low、DX2=Low、DX1=Low、DX0=High)はペン先15がアレイ基板8の左から4〜6番目の信号線で制御される画素電極(TFTを介して制御される)上に位置していることを示し、(DX3=Low、DX2=Low、DX1=High、DX0=Low)はペン先15がアレイ基板8の左から7〜9番目の信号線で制御される画素電極(TFTを介して制御される)上に位置していることを示している。
【0165】
この様にX駆動部4の動作とX方向初期座標検出部82の検出のタイミング(図49)からX方向の初期座標を検出することが可能である。
【0166】
X駆動部による突き上げ電圧は、Cs線電圧による突き上げ電圧と比較すると低く4分の1程度である。液晶層24の応答速度は印加電圧が高い方が早い。従って、本実施例の様にX駆動部で信号線にVONを順次供給する際VONを信号線に一端書き込むとVXSTOP =HighになるまでVONを信号線に印加するのが望ましくこれによって液晶層24の応答速度が遅くとも確実に液晶層24は応答する。
【0167】
本実施例では、以上説明した様に表示装置のスイッチング素子(アレイ基板8のTFT)を全てオフした状態に於いて、Cs線と画素電極間のカップリング容量及び信号線と画素電極間のカップリング容量によって画素電極に生じる突き上げ電圧を利用し、その突き上げ電圧によって生じる表示装置の光学特性変化(輝度変化)を検出することによって、表示装置上のペンの座標を検出する。よって、TFTを介して画素電極に電圧を印加しその印加電圧によって生じる表示装置の光学特性変化を検出しないので、ペンの座標検出精度がTFTの製造ばらつきやTFTのオン抵抗ばらつき(温度や製造や設計ルール等によるばらつきをさす)に影響されず高精度な座標検出が可能であると同時に、TFTのオン抵抗による書き込み時間に影響されないのでより高速な座標検出も可能である。
【0168】
TFTにはオン抵抗(Rオン)が存在し、そのため画素電極にTFTを介して電圧を印加する場合、
τ=Rオン*C画素
の時定数が存在し、一般にこれを書き込み時間と呼ぶ。但し、C画素は画素電極に存在する容量である。RオンはTFTのサイズに影響されるため当然製造ばらつきにも影響される(参考文献:辻他、IDY 93−65「a−Si TFT−LCDにおける書き込み時の簡易設計法の検討」、Analysis andDesign of Analog Interated CircuitsSecond Edition、Paul R.Gray、Robert G.Meyer)。当然、C画素の大きさにも製造ばらつきが存在しており、結果として、τには大きなばらつきが存在してしまう。
【0169】
本実施例では、表示装置10に存在する容量間の電荷再結合によって生じる突き上げ電圧によって、液晶層24に電圧を印加し、その際生じる液晶層24の光学特性変化からペン先15の表示装置10上の座標を検出することで、液晶層24に電圧を印加する際抵抗成分が限りなくゼロになるので、電圧をC画素に書き込む際、印加電圧の時定数を考慮する必要がなく、高速で高精度な座標検出が可能である。
【0170】
また、本実施例では、VREF2、VREF3、VREF4、VREF5を任意に設定することが出来るため、突き上げ電圧によって生じる表示装置10の各画素電極上の輝度変化が白(透過率100%)から黒(透過率0%)又は黒から白に変化しなくても、VREF2、VREF3、VREF4、VREF5を適宜設定することで、表示装置10の各画素電極上の僅かな輝度変化が透過率100%から透過率98%の場合や透過率0%から透過率2%の様な場合で十分座標検出可能である。本実施例では、透過率が約10%変化すると座標検出できる様VREF2、VREF3、VREF4、VREF5を設定しているので、初期座標を検出する際、表示装置10の画質劣化が生じない。
また、本実施例ではX駆動部4及びCs線駆動部9及びSW1−nをアレイ基板8と同一基板上に形成しているため(参考文献:井上他、EID91−125p59−p64、大島他、電子情報通信学会論文誌、C− Vol.J76−C− No.5 pp27−pp234)、ペン入力一体型表示装置のより狭額縁化を実現している。
【0171】
以上によって、ペン先15が表示装置10に接触した時のペン先15の10上での座標(Y方向初期座標とX方向初期座標)が検出された。
【0172】
表示装置10が表示しているアイコンの座標を検出する場合など上述した座標検出方法のみで十分であるが、ペン入力装置には手書き文字入力(かたかな、ひらがな、漢字、ローマ字等)などを検出する要求なども強い。が、手書き文字入力の検出にはアイコンの座標を検出する場合と違って、ペン先15が表示装置10上で高速に移動するため、ペン入力装置がペン先15の座標を1秒間に検出する回数(検出周波数)を多く(高く)する必要がある。また、手書き文字入力の座標検出をする場合、検出される座標の画素電極上ではほとんどの場合、白が表示されている(本実施例の10は加法混色を使っているので、厳密には画素電極上では赤または青または緑が表示されている)(参考文献:日経BP社、フラットパネルディスプレイ1990〜1995、日経BP社、日経マイクロデバイス1992年6月号)。これは、ノートに鉛筆で字を書くときや、印刷物を考えるとわかるが、通常、白字に黒の文字を書き込んでいる。
【0173】
図50にブラックマトリックス29の透過率特性とブラックマトリックス29上のフォトダイオードの受光感度特性を考慮した受光成分を示す。
【0174】
図50(a)はブラックマトリックス29の透過率特性を示しており、横軸に波長を縦軸に最大透過率を100%と正規化した相対透過率を示している。図50(a)に示される様にブラックマトリックスは可視光線にたいし透過率0%である(参考文献:日経BP社、フラットパネルディスプレイ1990〜1995、日経BP社、日経マイクロデバイス1990年1月号〜1995年9月号)。したがって、図50(b)が示す様にブラックマトリックス29上にフォトダイオードがある場合相対入力は0である。なお、図50(b)の横軸は波長を縦軸にフォトダイオードの受光感度特性を考慮した場合の最大入力を100%と正規化したフォトダイオードの受光面に入射する放射束の相対入力を示す。
【0175】
本実施例では図50に示したブラックマトリックス29の透過率特性と各着色層30の透過率特性(図44)の違いをフォトダイオードで検出することで、ペン先15が表示装置10上で移動した移動量を検出する。が、実際移動量を検出するだけでは不十分で、それがX方向の移動量なのかY方向の移動量なのかを識別できなければならない。より、厳密に言うなら、Xup方向の移動量なのかXdown方向の移動量なのか、Yup方向の移動量なのかYdown方向の移動量なのかを識別できなければならない。本実施例では、移動量及び移動方向を同時に検出する方式を発明したので以下に説明する。
【0176】
図51は、本実施例に於いて、フォトダイオードが表示装置10から受光する様子とペン先15の移動量及び移動方向を同時に検出できる方式の基本概念を示すための図で、最初フォトダイオードアレイ17が図51(a)の様に配置しており、その後図51(b)の様にペン先15が移動したものとし、各着色層からは光が液晶層24の光透過率100%で光がくるものとする(つまり、表示装置10はラスター白を表示している)。
【0177】
また、図51に於いてブラックマトリックス下(上)には図示していないが、信号線、Cs線、ゲート線が配置されている。
【0178】
図52(a)〜(f)に、図51(a)に於ける各受光面の受光状態を示しており、横軸は各受光面の左端を0μmとし左端から右方向への距離を示し縦軸は最大照度を100%と正規化しブラックマトリックス29の照度を0%とし各着色層の最大照度を等しいとした場合の単位長さ当たりの相対照度を示している。
図52(a)はA受光面の受光状態を示しており、ブラックマトリックス29上の相対照度が0%で各着色層上の相対照度が100%である。図52(b)、(c)はそれぞれB受光面の受光状態とC受光面の受光状態を示しており、受光状態は図52(a)と同様である。
【0179】
図52(d)はD受光面の受光状態を示しており、D受光面がY方向(Cs線方向)に細長い形であるため、D受光面はブラックマトリックス29の相対照度の影響より各着色層30の相対照度の影響の方を強く受けており、よって、相対照度は100%付近である。D受光面をよりCs線方向に細長くすれば相対照度はより100%に近ずく。図52(e)(f)はそれぞれ受光面Eの受光状態とF受光面の受光状態を示しており、図52(d)と同様である。
【0180】
図53(a)〜(f)は、図51(b)に於ける各受光面の受光状態を示しており、横軸は各受光面の左端を0μmとし左端から右方向への距離を示し縦軸は最大照度を100%と正規化しブラックマトリックス29の照度を0%(実際ブラックマトリックス29から各受光面が受ける照度は0%である)とし各着色層の最大照度を等しいとした場合の単位長さ当たりの相対照度を示している。
【0181】
この様に、表示装置10の表面には、表示装置10が本来持っている空間光学特性差が存在している。
【0182】
図53(a)はA受光面の受光状態を示しており、図51(b)から明かな様にA受光面がX方向(信号線方向)に細長い形であるためX方向のブラックマトリックス29(信号線上のブラックマトリックス29)の相対照度の影響を受け安くなっているため、A受光面の相対照度はブラックマトリックス29の相対照度0%付近になっている。
【0183】
B受光面及びC受光面が受ける相対照度は図51から明かな様に図52のそれとほぼ等しくなっている。
【0184】
図53(D)はD受光面の受光状態を示しており、図51(b)から明かな様にD受光面がY方向(Cs線方向)に細長い形であるためY方向のブラックマトリックス29(Cs線上のブラックマトリックス29)の相対照度の影響を受け安くなっているため、D受光面の相対照度はブラックマトリックス29の相対照度0%付近になっている。E受光面及びF受光面は完全に着色層上に配置されているのでこれらの相対照度は100%である。
【0185】
以上のことから次の結論が得られる。A受光面を有するフォトダイオード、B受光面を有するフォトダイオード、C受光面を有するフォトダイオードはX方向に細長い構造であるためY方向(Cs線方向)のブラックマトリックス29の影響は受けにくいがX方向(信号線方向)のブラックマトリックス29の影響は受け易い。D受光面を有するフォトダイオード、E受光面を有するフォトダイオード、F受光面を有するフォトダイオードはY方向に細長い構造であるためY方向(Cs線方向)のブラックマトリックス29の影響は受け易いがX方向(信号線方向)のブラックマトリックス29の影響は受け難い。よって、各フォトダイオードはX方向のブラックマトリックス29とY方向のブラックマトリックス29を区別することが可能である。
【0186】
また、X方向検出用の光センサーの受光面は、各受光面を各受光面のY方向が最も長くなる様に配置した時の各受光面のX方向の長さが図5に示す29のX方向長(29X)の2倍以下の長さになる様設計するのが望ましくより望ましくは29X以下の長さにするのが望ましい。
【0187】
なぜなら、本実施例で使用したフォトダイオードや他のCCDなどの光センサーは受光面に入射する光エネルギーに応じて出力信号を発生する。したがって、受光面の面積に応じた出力信号が得られるため、検出しようとするブラックマトリックス29の29Xが上述したX方向の長さよりも短すぎると、マトリクスを横切るときの出力変化が少なく光センサーがブラックマトリックス29を検出出来なくなってしまう。本実施例では上述したX方向の長さが29Xの長さと同等以下になる様設計し、正常動作を確認した。
【0188】
また、Y方向検出用の光センサーの受光面も同様に、各受光面を各受光面のX方向が最も長くなる様に配置した時の各受光面のY方向の長さが図5に示す29のY方向長(29Y)の2倍以下の長さになる様設計するのが望ましくより望ましくは29Y以下の長さにするのが望ましい。本実施例では上述したY方向の長さが29Yの長さと同等以下になる様設計し、正常動作を確認した。
【0189】
図54(a)に本発明に於けるアレイ基板8の構造とブラックマトリックス29の配置を示す。
【0190】
図54(a)、(b)、(c)に於いて点線はブラックマトリックス29を示している。ここで重要なことは図54(a)、(c)の様に、Cs線と画素電極の重なり部分をゲート線近傍に配置することである。なぜなら、Cs線はブラックマトリックス29と同様に一般に光を透過しないので、例えば図54(b)の様にCs線と画素電極の重なり部分とゲート線を離して配置したのではフォトダイオードがゲート線上にあるブラックマトリックス29によってその出力電流が変化したのか、Cs線によってその出力電流が変化したのか判別できず、ペン入力表示装置の誤動作を引き起こしてしまう。また、フォトダイオードの受光面はブラックマトリックス29より著しく大きくすることはできない。なぜなら、フォトダイオードの受光面はブラックマトリックス29に大きく影響されなければならないからである。したがって、図54(b)においてフォトダイオードの受光面の大きさはゲート線幅上のブラックマトリックス29の幅(又は、ゲート線幅)によって制限されることになり、つまりはゲート線幅によって制限されることになる。フォトダイオードの受光面を広くするためゲート線上のブラックマトリックス29の幅をただ大きくしたのでは、表示装置10の開口率低下を生じ消費電力増大を招く。本発明の様に図54(a)、(c)のアレイ基板構造にすることで、ゲート線及びCs線上のブラックマトリックス29の幅を広くすることが出来てしかも表示装置10の開口率を損なわず(なぜなら、Cs線の位置がただ単に画素電極上でずれただけである)、フォトダイオードの受光面を広くすることが可能である。フォトダイオードの出力電流はその受光面の面積に比例しており、受光面積が大きいほどより多くの出力電流を流すことが出来るため、その出力電流変化を電圧変化に変換する図12の光信号変換部34がオペアンプ44のオフセット電流の影響及びバイアス電流の影響を受け誤動作しにくくなる。しかも42、45の抵抗値をより小さくすることが出来るため(オームの法則より、小さい抵抗値でもより大きい電流を流すことでより大きい電圧を得る)、光信号変換部34をより高速に動作させることが可能になり、より、高速なペン入力が可能になる。
【0191】
以上まとめると、本実施例に於いて、図54(a)、(c)に示す様にゲート線近傍にCs線を配置してゲート線とCs線間に表示装置10の開口部がない(つまり、あるCs線とそのCs線に最も近いゲート線との間に開口部がない)様にブラックマトリックス29をゲート線及びCs線上に配置する様なアレイ構造にすることで、表示装置10の開口率を損なわず、ゲート線及びCs線上のブラックマトリックス29の幅を広くすることが出来るとともに、フォトダイオードがゲート線上にあるブラックマトリックス29によってその出力電流が変化したのか、Cs線によってその出力電流が変化したのか判別する必要もないので、より高精度でより低消費電力なペン入力装置を提供することが出来る。
【0192】
以上のことを考慮し、本実施例に於いて、ペン先15が図55、図56、図57に示す様に移動した場合のその移動量の検出方法(移動量検出方法)を説明する。
【0193】
t=t8に於いて、ペン先は図55に示される様に配置している。その後t=t9になり、図56に示される様な位置に移動し、その後t=t10になり、図57に示される様な位置に移動する(ただし、その間の移動は最短距離で移動したものとする)。
【0194】
図58に、上述した様にペン先が移動した時の各受光面が受ける相対照度を示す。
【0195】
図58(a)〜(f)の横軸は時間軸で、縦軸は表示装置の光透過率が100%で(図42参考)各フォトダイオードの受光面が図55の様に配置している時の各受光面が受ける照度を100%と正規化し各受光面全面がブラックマトリックス29上にある時の照度を0%とした相対照度である。
【0196】
図55に於ける各フォトダイオードの配置から、全てのフォトダイオード受光面に最大照度(100%)が入射されているのが解る。
【0197】
その後ペン先15は、図56に示される位置に移動するため各フォトダイオード受光面はゲート線G4上(厳密にはG4及びC4上)のブラックマトリックス29を横切る。その際A、B、C各受光面はX方向に細長い構造をしているため、ゲート線G4上のブラックマトリックス29の影響を大きく受けるため図58に示す様に、t=t8〜t=t9に於いて各相対照度が大きく低下している。一方、D、E、F各受光面はY方向に細長い構造をしているため、ゲート線G4上のブラックマトリックス29の影響を受けにくく図58に示す様に、t=t8〜t=t9に於いて各相対照度が僅かに低下している。
【0198】
その後ペン先15は図57に示される位置に移動するため各フォトダイオード受光面は信号線S4、S3、S2上のブラックマトリックス29を横切る。その際D、E、F各受光面はY方向に細長い構造をしているため、信号線S4、S3、S2上のブラックマトリックス29の影響を大きく受けるため図58に示す様に、t=t9〜t=t10に於いて各相対照度が大きく低下している。一方、A、B、C各受光面はX方向に細長い構造をしているため、信号線S4、S3、S2上のブラックマトリックス29の影響を受けにくく図58に示す様に、t=t9〜t=t10に於いて各相対照度が僅かに低下している。図55と図56と図57から図58が得られるのは明らかである。
【0199】
また、t=t8〜t=t9に於ける相対照度の変化において、B受光面の相対照度変化の次にA受光面、C受光面どちらの相対照度が変化するかは、ペン先15が表示装置10上でYup方向に移動しているかYdown方向に移動しているかによる。なぜなら図55に於いて、ゲート線G4上のブラックマトリックス29からC受光面が最も近くその次にB受光面が近くその次にA受光面が近いからであり、ゲート線G3上のブラックマトリックス29からA受光面が最も近くその次にB受光面が近くその次にC受光面が近いからである。よって、B受光面の相対照度変化の次にA受光面の相対照度が変化する場合は、ペン先15がYdown方向に移動している時であり、B受光面の相対照度変化の次にC受光面の相対照度が変化する場合は、ペン先15がYup方向に移動している時である。一方、t=t9〜t=t10に於ける相対照度の変化において、E受光面の相対照度変化の次にD受光面、F受光面どちらの相対照度が変化するかは、ペン先15が表示装置10上でXup方向に移動しているかXdown方向に移動しているかによる。なぜなら図56に於いて、ペン先15がXdown方向に移動する場合、D、E、F各受光面とD、E、F各受光面からXdown方向の最も近い各信号線までの距離は、各受光面毎に異なっており、F受光面が最も近く次にE受光面であり次にD受光面である。また同様に、ペン先15がXup方向に移動する場合、D、E、F各受光面とD、E、F各受光面からXup方向の最も近い各信号線までの距離は、各受光面毎に異なっており、D受光面が最も近く次にE受光面であり次にF受光面である。従って、図56に於いて、ペン先がXdown方向に移動する場合まずF受光面の相対照度変化が起こり次にE受光面の相対照度変化が起こり次にD受光面の相対照度変化が起こるのである。同様に、ペン先がXup方向に移動する場合まずD受光面の相対照度変化が起こり次にE受光面の相対照度変化が起こり次にF受光面の相対照度変化が起こるのである。
【0200】
この様に本実施例では、各フォトダイオードが表示装置10上に配置された時の各受光面の位置関係を次の様にしている。
【0201】
上下方向(Yup、Ydown方向)を検出する各フォトダイオードの各受光面の位置関係を、各受光面と各受光面からYdown方向の最も近い各ゲート線までの距離を、各受光面毎に異なる様に配置し、同様に各受光面と各受光面からYup方向の最も近い各ゲート線までの距離を、各受光面毎に異なる様に配置する。
【0202】
よって、本実施例では、各フォトダイオードからの電気信号のみでペン先15がXup方向とXdown方向(Yup方向とYdown方向)のどちらに移動しているかを検出することが出来るとともに、同一のフォトダイオード構成及び同一回路構成で(図18と図19参考)ペン先15がXup方向とXdown方向(Yup方向とYdown方向)のどちらに移動しているかを検出することが出来る。よって、本実施例により、ペン入力表示装置の部品点数削減が可能になり、ペン入力表示装置の軽薄短小化が実現出来る。
【0203】
図59(a)〜(f)に、図58に示される様な各受光面の相対照度時間変化が生じた時の光信号変換部34の出力(VA〜VF)の時間変化を示す。なお、図59(a)〜(f)の横軸は時間軸であり縦軸は出力の最大値を100%、最小値を0%とした時の相対出力を示している。また、図59(a)〜(f)に示される様にVREF1を設定すると、レベルシフト部49の動作から明らかな様に図60(a)〜(f)に示すVA0、VB0、VC0、VD0、VE0、VF0が得られる。図60(a)〜(f)に於いて横軸は時間軸であり、縦軸は電圧を示す。
【0204】
図61に図60に示される様なVA0、VB0、VC0、VD0、VE0、VF0が得られた場合のシリアル信号発生部50(図18)の動作結果から得られる信号(VYdown、VYup)を示す。図18から明らかな様に図61の結果が得られる。
【0205】
図62に図61に示される様な信号(VYdown、VYup)が得られた時に、図22のパラレル信号発生部51から得られる信号(DY13 、DY12 、DY11 、DY10 )と図34のY座標検出部39から得られる信号(DY3、DY2、DY1、DY0)を示す。
【0206】
図63に図60に示される様なVA0、VB0、VC0、VD0、VE0、VF0が得られた場合のシリアル信号発生部(図19参考)の動作結果から得られる信号(VXdown、VXup、VXdown3、VXup3)を示す。図19から明らかな様に図63の結果が得られる。
【0207】
図64に図63に示される様な信号(VXdown、VXup、VXdown3、VXup3)が得られた時に、パラレル信号発生部(図23)から得られる信号(DX13 、DX12 、DX11 、DX10 )とX座標検出部38から得られる信号(DX3、DX 2、DX 1、DX0)を示す。
【0208】
なお、本実施例の図58及び図59に於いて、各受光面の相対照度変化が生じてからVA〜VFの相対出力が変化するまでの時間は、ペン入力デバイス1が有する光センサーの応答速度に依存し、光センサーとしてフォトダイオードを使用した場合は約10μsecであり、フォトトランジスターを使用した場合は約30μsecである。従って、図5に於いて29のY方向長及び29のX方向長を30μm、1画素に於ける各着色層のY方向の長さを270μm、X方向の長さを70μmとし、ペン先15が表示装置10上でX方向に1秒間にZ画素分(信号線上のブラックマトリックスZ本分)移動したものとする。このとき移動した距離は、
100μm*Z
となり、30μmを移動するのに要した時間t(30)は、
t(30)=0.3/Z[秒]
となる。従って、本実施例に於いて画素数で表された1秒間に検出可能な移動量Zは、光センサーがブラックマトリックス29を検出出来るか否かによるので、Zは以下の様になる。
【0209】
t(30)>30μm
Z < 10000
(但し、フォトトランジスターを使用した)
よって、本発明に係わるペン入力一体型表示装置を使用者が正常な目的で使っている限り、移動量の検出に於いて、時間分解能が足りないというような不具合は生じず、本発明によって、高時間分解能を備えたペン入力一体型表示装置が提供できる。
【0210】
以上によって、ペン先15が表示装置10上に配置され移動した場合のペン先15の座標が以下の様に検出された。
【0211】
t=t1・ペン先が図40の様に配置される。
【0212】
t=t2・Y方向の初期座標を検出。
【0213】
DY03 =Low 、DY02 =Low 、DY01 =High、DY00 =High
移動量が無いので、初期座標がY座標となる。
【0214】
t=t6・X方向の初期座標を検出。
【0215】
DX03 =Low 、DX02 =Low 、DX01 =Low 、DX00 =High
移動量が無いので、初期座標がX座標となる。
【0216】
Figure 0003866336
が検出され、コントロール部7は、DX 、DY を受けそれに応じたVDを出力。検出された座標が表示装置に出力(黒表示となる)される。
【0217】
t=t9・Y方向の移動量を検出。
【0218】
Y座標は、DY3 =Low 、DY2 =High、DY1 =Low 、DY0 =Low
X方向の移動量は無し。
【0219】
Figure 0003866336
が検出され、コントロール部7は、DX 、DY を受けそれに応じたVDを出力。検出された座標が表示装置に出力(黒表示となる)される。
【0220】
t=t10・X方向の移動量を検出。
【0221】
X座標は、DX3 =Low 、DX2 =Low 、DX1 =Low 、DX0 =Low
Y方向の移動量は無し。
【0222】
Figure 0003866336
が検出され、コントロール部7は、DX 、DY を受けそれに応じたVDを出力。検出された座標が表示装置に出力(黒表示となる)される。
【0223】
以上説明したように、本発明の第1実施例によれば、表示装置10上に於いてペン先15が移動した移動量を、表示装置10の着色層30とブラックマトリックス29の透過率差によって生じる表示装置表面の光学特性差によって検出し、ペン先15が表示装置10に配置された際の初期座標を、アレイ基板8の信号線及びCs線を駆動した時に表示装置10の画素電極に生じる突き上げ電圧によって検出できるので、表示装置10の背後もしくは前面にペン先15の座標検出用タブレットを設ける必要が無いとともに、ペン先15の移動量をペン入力デバイス1が有する光センサーによって瞬時に検出でき、初期座標をTFTの製造ばらつきに影響されることなく検出できる。
【0224】
この結果、高精度及び高時間分解能なペン入力機能を備えた小型・軽量なペン入力一体型表示装置を実現できる。
【0225】
なお、本発明のペン入力一体方表示装置は上述した実施例に限定されるものではない。ペン入力デバイス1、信号線駆動部2、Cs線駆動部9、X駆動部4、アレイ基板8、ゲート線駆動部3、表示装置10、フォトダイオードアレイ17、光信号変換部34、初期座標検出部36、移動量検出部37、X座標検出部38、Y座標検出部39、ペンシステムリセット部35の構成も適宜変更可能である。
【0226】
なお、本実施例に於ける移動量検出手段は、本実施例で表示装置10として使用したTFT−LCD以外で、表示部と遮光部を有する表示装置例えば単純マトリクスLCDやプラズマディスプレイやCRT(参考文献:日経BP社、フラットパネルディスプレイ1990〜1995、日経BP社、日経マイクロデバイス1991年4月号−1994年7月号)などにも適用可能でその具体的構成も適宜変更可能である。
【0227】
次に本発明に係わる第2の実施例を以下に示す。
【0228】
ペン入力装置に於けるペンと表示装置の傾きが大きく変化すると、受光面に入射する光エネルギーが変化し、光センサーの誤動作を招くことがある。第2実施例はこの問題を解決するもので、ペンと表示装置の傾きが変化してもペンの光センサーの受光面の表示装置に対する傾きを所定角度以下に保つ。
【0229】
図65は、本発明の実施例2に係わるペン入力デバイスの構造を示しており、第1実施例1と同一のものについては同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
図65に於ける傾き制御部156は、フォトダイオードアレイ17の受光面と表示装置10の表示面の傾きが0度〜45度(望ましくは0度〜20度でより望ましくは0度つまり平行である)になるよう制御しており、これによって、図65(a)〜図65(c)の様にペン入力デバイス1の傾き(ペンの傾き角)が変化しても、フォトダイオードアレイ17の受光面と表示装置10の表示面の傾きが0度〜45度に制御される。
【0230】
CRT、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等の表示装置では、表示装置の表面をどの角度から見るかによって表示装置表面の輝度が異なっている。この特性は液晶ディスプレイに於いてより顕著に見られ、一般には視野角(参考文献:日経BP社,フラットパネルディスプレイ1990〜1995、日経BP社,日経マイクロデバイス1990年1月号〜1995年9月号)と呼ばれている。したがって、光学的に座標検出を行う場合、この視野角のためペン入力デバイス1の傾き角(ペンの傾き角)により光信号変換部34の出力VA〜VFが変化してしまい結果として座標検出の誤動作が生じていた。しかし、本実施例2によって、ペンの傾き角による誤動作を抑えることが出来、安定した座標検出が可能となった。
【0231】
図66及び図68は、本発明の第2実施例に係わるペン入力デバイスの構造をより詳細に示しており、第1実施例と同一のものについては同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
【0232】
図66〜図68に於いて、157はバネ158を支えている支持台であり、159は16に加わる力によって移動するスライダーを示している。ペンの傾きが図66〜図68の様に変化しても(本実施例では15度〜95度の場合を示している)、バネ158の復元力によって、スライダー159が移動し、光センサーであるフォトダイオードアレイ17の受光面が表示装置10の表示面と常に平行になるように制御されるので、バックライト11からフォトダイオードアレイ17の受光面に入射する光の入射角がペンの傾き角が何度であっても常に一定に制御されるため、ペンの傾き角変化によって、フォトダイオードアレイ17の受光面に入射する放射照度が変化せず、より安定した座標検出が実現されている。また、本実施例の様に傾き制御部156を支持台157とバネ158とスライダー159で構成することで、ペン入力デバイス1に要求される小型化及び軽量化が同時に実現されている(これらを合わせても1グラム以下である)。また、傾き制御部156の構成は適宜変更可能であり、ゴムやジャイロスコープセンサの様に角度変化を検出するセンサーを使用してもよく、その使用方法も適宜変更可能である。
【0233】
以上説明したように、本発明の第2実施例によれば、ペン入力デバイス1の傾きが変化しても、傾き制御部156がフォトダイオードアレイ17の受光面と表示装置10の表示面の傾きが0度〜45度になるよう制御するので、ペン入力デバイス1の傾き角変化による光信号変換部34の出力VA〜VFが変化を抑えることができるため、誤動作の無い安定した座標検出を行うことが出来る。
【0234】
この結果、小型軽量なペン入力デバイス1を備えたペン入力一体型表示装置に於いて、安定した座標検出が可能となる。
【0235】
次に本発明による第3の実施例を説明する。
【0236】
高精細な表示装置を使ったペン入力表示装置では使用者がペン入力を行う際に生じる手振れやペン入力を行う入力面が紙と違い滑りやすいために生じる誤入力がより顕著に表れるため、表示装置が持っている高精細な表示ができず手振れによる誤入力などが目立ちみすぼらしい筆跡となってしまう。本実施例はこの問題を解決するためのもので、画素サイズの比較的小さい表示装置を有するペン入力装置で、手書き入力速度が比較的速い場合にも十分にペンの軌跡に対して補正を行うことができる。
【0237】
図69は本実施例の全体的な構成を示す。1100はペン入力表示装置であり、第1実施例で説明したペン入力表示装置1000(図1参照)と基本的に同一の構成であるが、第1実施例のX及びY座標が各々4ビットで構成されたのに対し、この第3の実施例で用いられるペン入力表示装置のX及びY座標はより実際的な6ビットで各々構成されている。図69のDX及びDYはペン入力表示装置1100のX及びY座標出力である。
【0238】
図69に於いて、170はDX,DY信号から、検出ペンがペン入力状態に於いて表示装置上で移動した速度(移動速度)を検出するペンスピード検出部であり、DSは検出ペンの移動速度を示す。171はDX,DYから、検出ペンがペン入力状態に於いて表示装置上で移動した移動ベクトルとその変化であるベクトル変化を検出するベクトル変化検出部であり、DXVはX方向の移動ベクトルを示しDYVはY方向の移動ベクトルを示し、DXVとDYVで検出ペンの表示装置10’上での移動ベクトル(単にベクトルとも呼ぶ)を示す。また、VVは移動ベクトルのベクトル変化を示す。172は170及び171からの信号に基づいてペン入力示表装置1100からの信号を補正して、検出ペンの表示装置上での位置を示す補正された信号DYC,DXCをペン入力示表装置1100に出力する補正部である。これらの詳細も後程説明する。
【0239】
図70に表示装置10’の各画素を示すデジタル信号DX(DX6,DX5,DX4,DX3,DX2,DX1),DY(DY6,DY5,DY4,DY3,DY2,DY1)を示す。図70に於いて、1番左上の画素の座標をDX,DYで示すとDX=(0,0,0,0,0,1),DY=(0,0,0,0,0,1)となる。一番右上の座標をDX,DYで示すとDX=(1,1,1,1,1,1),DY=(0,0,0,0,0,1)となる。一番左下の画素の座標をDX,DYで示すとDX=(0,0,0,0,0,1),DY=(1,1,1,1,1,1)となる。一番右下の座標をDX,DYで示すとDX=(1,1,1,1,1,1),DY=(1,1,1,1,1,1)となる。他の画素についても同様な順序でデジタル信号が対応してある。なお、本実施例ではX方向Y方向とも64画素の表示装置であるので、前述したようにDX及びDYとも図70に示される6ビットのデジタル信号で表現される。なお、表示装置10’の画素サイズは300μm×300μmである。
【0240】
以上の構成のペン入力表示装置に於いて、図71に示す様に「1」を手書き入力する。図72に示すように、一般に(本実施例を含む)ペン入力表示装置の表面は紙などと異なり滑らかで滑りやすく、その上、ペン入力表示装置の表面は何度も手書き入力しなくてはならないため、ペン入力表示装置に使用する検出ペンのペン先を尖らすことができず、より滑りやすくなっている。従って手書きで文字を入力するような場合、ぎこちない書体となることがある。これは、表示装置10’が高精細になる程より大きな問題になる。よって、本実施例におけるペンスピード検出部170、ベクトル変化検出部171、補正部172が無い場合、「1」を入力したつもりでも、図73に示す様な「1」が入力され表示される。図73に於いて、各格子は表示装置10’の1画素を示しており、黒色で表示された画素はペン入力によって選択された画素を示しており、各画素とデジタル信号DX,DYの関係は図70で示した通りである。ここで、図73のように得られた座標デジタル信号DX,DYを分析する。
【0241】
図74に、図73の場合に得られたデジタル信号DX,DYと時間との関係を示す。図74における検出時間とは、手書き入力開始からどれほど時間が経過したかを示し、0msecは手書き入力が開始された時を示しており、図74で示された検出時間間隔(1msec)は、ペン入力表示装置の座標検出における時間分解能(参考文献:情報処理学会論文誌Mar.19204Vol.29No.3「手書き編集記号を用いたオンライン文字図形編集法」児島他)を示している。なお、本実施例において検出時間間隔は表示装置の精細度にもよるが、1画素のペン座標データ(DX,DY)を2回以上検出できる程短いことが望ましく、より望ましくは3回上であり、その値は適宜変更可能である。
【0242】
図75にペンスピード検出部170の構成を示す。図75の173,174,176,177,186,187はDタイプフリップフロップであり本実施例ではTC74HC574を使用した。181はブッファーであり182,183,192はインバーターであり、175,178はコンパレーターであり本実施例ではTC74HC6204を使用した。179は非論理和回路であり、180は論理積回路であり、184,185はカウンターであり本実施例ではTC74HC161を使用した。188は2チャンネルマルチプレクサーであり例えばTC74HC4053で構成してもよい。189は乗算回路であり、例えば参考文献「デジタルシステムの設計 CQ出版社 猪飼/本多共著」に示される回路構成で良い。なお、インバータ192はバッファ181に比べ動作速度が速い。
【0243】
図76にベクトル変化検出部171の構成を示す。190はベクトル検出部であり、デジタルデータDX,DYから検出ペンの移動ベクトルを検出しアナログ信号であるDXV,DYVを出力する回路であり、191はベクトル比較部でありDXV,DYVから移動ベクトル変化を示すデジタル信号VVを出力する回路であり、VVがHighの時移動ベクトルが変化したことを示し、Lowの時移動ベクトルの変化は無い。
【0244】
図77に図73に対応した検出ペンの移動ベクトル方向の定義を示す。図77におけるV1〜V8の矢印は検出ペンのペン先が図73上でその矢印方向の移動ベクトル方向に移動していることを示すための矢印であり、V9はペン先が静止していることを示したものである。
【0245】
図78はDXV,DYV信号と移動ベクトル方向の関係を示した図である。なお、DXV,DYV信号は3レベル(High,Middle,Low)のアナログ信号である。
【0246】
ペンスピード検出部170の動作から図79に示される結果が得られる。Dフリップフロップ173及び176によって半クロック遅れたDX,DYが得られ、Dフリップフロップ174,177によって1クロック遅れたDX,DYが得られる。コンパレータ175及び178によってDフリップフロップ173と174の出力及びDフリップフロップ176と177の出力が比較され、同じ値であればLowが異なった値であればHighが出力される。184,185ではコンパレータ175及び178からHighが出力された後次ぎのHighが出力されるまでの期間のCLK1のクロック数をカウントし出力する。186,187は184,185の出力を192の出力をクロックとして取り込み保持する。図79に186,187の出力を10進数で示す。実際に得られる値は複数ビットによる2進数で示されるのだが、説明が複雑になるため以下では10進数を使って示す。186,187の出力は検出ペンの移動速度を示しており、186,187の出力が4であれば1画素をペン先が横切るのに4クロック要したことになる。よって、本実施例に於いて1画素サイズが300μm*300μmであるので、移動速度は300μm/(4T)となる。なお、TはCLK1の周期を示す。1画素は長方形や正方形の形をしているため1画素をペン先がどの様に横切るかで1画素を横切る距離が異なる。本実施例では1画素は正方形であるため、V1,V3,V5,V7方向に移動する場合1画素を横切る距離は300μmであり、V2,V4,V6,V8方向に移動する場合1画素を横切る距離は140μmである。よって、本実施例では188を使ってペン先がどの方向に移動したかによって、186,187に重みずけする値を変えている。188は180の出力がHighの時ch1を選択し、180の出力がLowの時ch2を選択する。180がHighになる時ペン先はV2,V4,V6,V8方向に移動している。本実施例ではch1とch2の比をch1/ch2=1.4(10進数で示している)に近くなる様設定しており、189の乗算回路で186,187の出力に重みずけしている。乗算回路189の出力を図79に示す。本実施例では以上の方式で移動速度を検出しているので画素の形状に依存しない正確な移動速度を検出できるとともに図75に示す様に簡単な回路構成で移動速度を検出可能である。なお、1画素のサイズが100μm*33μmの様に長方形の場合も本実施例と同様に1画素の形状に応じて得られた検出ペンの移動速度に重みずけすることでより正確な移動速度が得られる。
【0247】
ベクトル検出部190から図79に示す移動ベクトル方向が得られ、ベクトル比較部191によって図79に示すVVが得られる。ベクトル比較部191はDXV,DYVを受け、ベクトルが変化した際にHighを出力する。なお、ベクトルがV9の時は前ベクトルでペン先が移動しているものとし、ベクトル比較部191ではV9を前ベクトルに置き換え処理を行う。ベクトル比較部191は検出時間4msecで検出されたベクトルをV5として扱い検出時間5msec〜9msecで検出されたベクトルをV5として扱い検出時間10msecで検出されたベクトルをV3として取り扱い、ベクトル変化が生じた時図79に示される様にHighを出力する。他も同様である。
【0248】
図80に補正部172の構成を示す。図80の位相調整部192は、入力された信号を処理しやすくするため図81の様に位相調整する。なお、Ds′,VV′,DXV′,DYV′,DX′,DY′は192によって位相調整されたDs,VV,DXV,DYV,DX,DYである。変換部193は、DX′,DY′から削除するデータを選択する方法は以下の通りである。
【0249】
(1)Ds′から得られる移動速度が増加しているにも係らず移動ベクトルに変化が生じた場合(VV′=High)、そのDX′,DY′データを無効とし削除する。”
(2)削除する直前の移動速度及び移動ベクトル(DXV′,DYV′)と削除後の移動速度及び移動ベクトルを比較し、削除後の移動ベクトルと削除直前の移動ベクトルが同じであるかもしくは削除後の移動速度が削除直前の移動速度よりも遅ければそのDX′,DY′データを有効と判断し取り込む。
【0250】
以上によって得られたDXC′,DYC′を図81に示す。
【0251】
よって、誤入力データであるDX=(0,1,0,0,0,0),DY=(0,0,1,1,0,1)が削除されたが、正常入力データであるDX=(0,0,1,1,1,1),DY=(0,0,1,1,1,0)も削除されてしまった。本実施例ではこの様な問題を解決するため補間部194でこの表示上の不具合を解消するため、DX=(0,0,1,1,1,1),DY=(0,0,1,1,0,1)とDX=(0,0,1,1,1,1),DY=(0,0,1,1,1,1)間を線形補間するデータを作成しこれをDXC′,DYC′に重ねあわせる。これによって得られるDXC,DYCデータを図81に示す。Dxm,DYmは線形補間されたデータであり、Dxm=(0,0,1,1,1,1),DYm=(0,0,1,1,1,0)である。なお、線形補間とは図82に示す通り、線のぬけた部分を最少距離でつなぎ不具合を修正するものである。
【0252】
次に本発明による第4実施例を説明する。図83は第4実施例に係るペン入力表示装置の構成を示す。本実施例と前述の第3実施例で異なる点は、ペン入力表示装置に抵抗皮膜タブレットを使用していることである。
【0253】
図83に於いて、195は抵抗膜を示し、196は抵抗膜を示し、197は抵抗膜195上に配置された導電層を示し、198は抵抗膜195上に配置された導電層を示し、5は抵抗膜196上に配置された導電層を示し、200は抵抗膜196上に配置された導電層を示し、SW1及びSW2はCNT1で制御されるスイッチであり、SW3及びSW4はCNT2で制御されるスイッチであり、204は一定電圧を各抵抗膜に供給する電圧源であり5Vを供給している。インピーダンス変換部202は導電層198及び導電層6からアナログの電気信号で検出ペン205の表示装置10’上での位置を示しているX方向信号とY方向信号を、インピーダンス変換した後X′,Y′として出力するインピーダンス変換部であり、203はアナログ信号であるX′,Y′をそれぞれDX,DYのデジタル信号に変換するA/D変換部である。以上説明した各構成要素の動作は後程詳細に説明するが、これらの参考文献として「東芝レビュー1994Vol.49No.12」などがある。なお、移動ベクトル方向(X方向、Y方向)の定義は図83に示す通りである。
【0254】
図84に本実施例におけるペン座標検出の原理を示す。図84(a)は195と196の抵抗膜で形成されるタブレットの断面図を示しており、13は非ペン入力状態時に抵抗膜195と196を非接触させておくためのスペーサである。この様に、抵抗膜195と196に検出ペンが圧力を加えてないと抵抗膜195と196は非接触状態を保っている。
【0255】
図84(b)は、抵抗膜195と196に検出ペン205が圧力を加えている状態を示す図であり、この様に検出ペン205からの圧力が加えられると抵抗膜195と196は接触状態になる。また、検出ペン205から圧力が加えられている箇所を対抗電極207とし、図84(c)に示す様に導電層197と対抗電極207との間の抵抗をR15とし、導電層198と対抗電極207の間の抵抗をR16とし、導電層199と対抗電極207の間の抵抗をR19とし、200と検出ペン205の間の抵抗をR20とする。なお、195と196の抵抗膜にはある一定のシート抵抗が存在するが導電層197,198,199,200ではこのシート抵抗が無視できる程小さい。
【0256】
図85にインピーダンス変換部202の構成を示す。図85の208及び209はオペアンプであり、いわゆるボルテージフォロワーとして使われており、入力信号をインピーダンス変換し出力する。図86にSW1〜SW4の制御を示す。CNT1がHighレベル時SW1,SW2はオン状態であり、CNT1がLowレベル時SW1,SW2はオフ状態である。CNT2がHighレベル時SW3,SW4はオン状態であり、CNT2がLowレベル時SW3,SW4はオフ状態である。CNT1及びCNT2は常に両方が逆位相で駆動されている。
【0257】
図87に、図84(c)の場合の等価回路を示す。図87(a)はCNT1=High,CNT2=Lowの場合の等価回路を示しており、導電層199及び6に電圧が印加されておらず導電層197に0Vが198に5Vが印加されている。従って、6の電圧は5*R15/(R15+R16)となるためX′=5*R15/(R15+R16)である。つまり、検出ペンのX方向の位置14がアナログ信号X′として検出された。
【0258】
図87(b)はCNT1=Low,CNT2=Highの場合の等価回路を示しており、導電層197及び198に電圧が印加されておらず導電層199に0Vが6に5Vが印加されている。従って、200の電圧は5VとなるためX′=5Vである。本実施例では、X′=5Vの場合これをペンのX方向の位置を示すアナログ信号として取り扱わない。
【0259】
図88に、図84(c)の場合の等価回路を示す。図88(a)はCNT1=High,CNT2=Lowの場合の等価回路を示しており、導電層199及び6に電圧が印加されておらず導電層197に0Vが198に5Vが印加されている。従って、198の電圧は5Vであり、Y′=5Vとなる。本実施例では、Y′=5Vの場合これをペンのY方向の位置を示すアナログ信号として取り扱わない。
【0260】
図88(b)はCNT1=Low,CNT2=Highの場合の等価回路を示しており、導電層197及び198に電圧が印加されておらず導電層199に0Vが200に5Vが印加されている。従って、6の電圧は5VとなるためY′=5*R19/(R19+R20)である。つまり、検出ペンのY方向の位置14がアナログ信号Y′として検出された。
【0261】
以上の様に、本実施例では以下に示す通りペンの位置を検出し、
CNT1=High,CNT2=Lowの場合
検出ペンのX方向の位置をアナログ信号として検出する
CNT196=High,CNT1=Lowの場合
検出ペンのY方向の位置をアナログ信号として検出する
得られたアナログ信号をA/D変換部203によってデジタル信号DX,DYに変換する。デジタル信号DX,DYは図83のペンスピード検出部170、ベクトル変化検出部171及び補正部172に出力され、前述したように補正される。
【0262】
以上の通り、本実施例によって、人間工学上誤入力であるデータを削除した使用者の意図にそったペン入力が実現可能であるペン入力表示装置が実現された。また、本実施例では1画素移動毎に移動速度及び移動ベクトルを検出しているのでよりすばらしい筆跡の手書き入力が可能となった。なお、本実施例は抵抗薄膜タブレットを利用したペン入力表示装置以外の例えば、電磁誘導タブレットを利用したペン入力表示装置(参考文献:東芝レビュー1994Vol.49No.12、日経BP社フラットパネルディスプレイ '93、日経BP社MATERIALS&TECHNOLOGY93.8)や静電結合タブレットを利用したペン入力表示装置(参考文献:東芝レビュー1994Vol.49No.12、日経BP社フラットパネルディスプレイ '93、日経BP社MATERIALS&TECHNOLOGY93.8)や、その他のペン入力表示装置(特開平4−283819、特開平4−299727、特開平5−127823、特開平5−1520480、特開平4−343387、特開平5−189126、特開平5−197487、特開昭62−92021、特開昭63−293623)などに利用でき、それ以外のペン入力表示装置にも利用できる。
【0263】
次に本発明による第5の実施例を説明する。
【0264】
上記従来のアクティブマトリックス型表示装置を使ったペン入力表示装置ではアクティブ素子に電圧を供給する信号線やゲート線が開口率向上及び高精細化のため近年ますます微細加工されるようになっており(参考文献:日経BP社 フラットパネルディスプレイ1991〜1995)、このため、検出ペンと各電極線間の結合容量が小さくなり結果として検出電圧が小さくなり正確な座標検出が困難になっている。図100にそのことを示す。
【0265】
図100の400はアレイ基板であり、401は400上に配置されたシリコン酸化膜であり、402は400上に配置されたCs線であり、403は400上に配置されたゲート線であり、404は400上に配置された信号線であり、405は400上に配置された画素電極であり、409は400の対向に配置された対向基板であり、406は400と対抗基板409の間に注入された液晶層であり、408は対抗基板409上に配置された着色層であり、407は対抗基板409上に配置された対向電極である。400〜409でアクティブマトリックス型表示装置を構成している。310は検出ペンのペン先を示し、Cpgはペン先310とゲート線403の結合容量を示し、Cpsはペン先310と信号線404の結合容量を示し、CLはペン先310とGND間(ここではACグラウンドを意味する)の容量を示し、Vpはペン先に生じる検出電圧を示す。ゲート線に生じる電圧変化をΔVg、信号線に生じる電圧変化をΔVsとし検出電圧Vpの初期条件を0Vとすると、ペン先に生じる検出電圧Vpは近似的に以下の式で示される。
【0266】
Vp=ΔVg*Cpg/(Cpg+CL)
Vp=ΔVs*Cps/(Cps+CL)
よって、Cpg(Cps)又はΔVg(ΔVs)を大きくすることで検出電圧Vpを大きくすることが可能であるが、ΔVg(ΔVs)はアクティブ素子の耐圧のため極端に大きくすることが出来ず、酸化膜401の膜厚が3500オングストローム程度であれば45V程度が信頼性上望ましい。Cpg(Cps)の値は最も単純な式で以下のように示される。
【0267】
Cpg ∝ ε0*εg*Ghaba/dg
Cpg ∝ ε0*εg*Shaba/dg
ε0:真空の誘電率
εg:ガラスの非誘電率
Ghaba:ゲート線幅
Shaba:信号線幅
dg:ガラスの厚み
Cpg(Cps)を大きくするには、εg,Ghaba,Shabaを大きくするかdgを小さくしなくてはならない。が、εgは材料の基本的性質であるため極端に大きくすることなど望めず、dgを小さくしすぎてはガラス破損やたわみが生じてアクティブ素子をアレイ基板400上に均一に作れなくなってしまうため、dgとしては0.3mm〜1.1mmが望ましい。唯一変更可能な要素なのがGhaba,Shabaであるが、これは上述した通り近年ますます微細化されている。なお、ここで述べているゲート線幅及び信号線幅を図101に示す。図101はアクティブマトリックス型表示装置を真上から見た図である。
【0268】
したがって、信号線又はゲート線と検出ペンの結合容量が小さくなり検出ペンで検出する検出電圧が小さくなり、高精細で高開口率なアクティブマトリックス型表示装置ではバックライトや他からのノイズのため正確な座標検出が不可能である。
【0269】
本実施例は、上記事情を考慮してなされたものであり、ペン入力表示装置のより正確でしかも細かい筆跡でかつすばやい手書き入力でも見栄えの良い手書き入力ができることを目的とする。以下、本発明による第5実施例を詳細に説明する。
【0270】
図89に本発明の実施例1に係るペン入力表示装置を示す。図89に於いて、301はTFT基板(アレイ基板)でありこれに信号線(S1〜S5)、ゲート線(G1〜G4)、Cs線(Cs1〜Cs4)、TFT、画素電極が配置されている。302は対向基板であり、303は対向基板に配置された対向電極であり、304はTFT基板301に配置された信号線に信号線電圧を印加する信号線駆動回路であり、305はTFT基板301に配置されたゲート線にゲート線電圧を印加するゲート線駆動回路である。301〜309でTFT−LCD(以下では単に表示装置と呼ぶ)を構成しておりこれらの参考文献として例えば「日経BP社フラットパネルディスプレイ1991〜1995」などがある。306はX駆動回路であり、307はCs線にCs線駆動電圧を供給するCs駆動回路であり、これらの具体的構成例は後程示す。308は電源部であり、各回路部に必要な電圧を供給している。3099は制御部であり、各駆動部を正常に動作させるための各種信号を各駆動部に供給しており、信号線駆動回路304にはESをゲート線駆動回路305にはEGをX駆動回路306にはEXをCs駆動回路307にはECを、スイッチsws1〜sws5にはCNTSを、スイッチswg1〜swg4にはCNTgを、スイッチswx1〜swx5にはCNTxを、スイッチswc1〜swc4にはCNTCを供給している。また、制御部309は検出ペン310に必要な信号を供給するとともに、310から検出ペンの座標検出に必要な信号を供給されている。EG,ES,EC,EXはそれぞれデータバスラインを示しており、各種制御信号がこれらにそれぞれ含まれている。また、スイッチsws1〜sws5はCNTSでオンオフ制御されるスイッチであり、スイッチswg1〜swg4はCNTgでオンオフ制御されるスイッチであり、スイッチswx1〜swx5はCNTxでオンオフ制御されるスイッチであり、スイッチswc1〜swc4はCNTCでオンオフ制御されるスイッチである。swcomはCNTcomでオンオフ制御されるスイッチであり、このスイッチを通し電圧Vcom が2に供給される。5000は対抗電極303に対向電極電圧Vcom を供給する対向電極駆動回路である。310はTFT基板301から供給される検出電圧(図100のVpにあたる)を検出するもので、第5実施例に係るペン入力表示装置では検出電圧の発生タイミングによって310のTFT基板301上での位置(ペン座標)を検出する。なお、X方向とY方向を図89に示す通り定義する。
【0271】
図90に各スイッチの動作タイミングを示す。本実施例に係るペン入力表示装置では1フレーム中の垂直ブランキング期間中にペン座標検出を行う。表示期間中はswg1〜swg4,sws1〜sws5,swc1〜swc4,swcomはオンし、swx1〜swx5はオフしている。よって、画像信号に応じた信号線電圧が信号線駆動回路304から画素電極にTFTを通し供給される。この時X駆動回路306からの電圧はswx1〜swx5がオフしているので表示装置の画像に影響しない。表示装置が表示期間から垂直ブランキング期間に移りX方向ペン座標検出期間になるとswx1〜swx5はオフからオン状態になり、他のスイッチはオフ状態になる。Y方向ペン座標検出期間に入るとswc1〜swc4はオン状態になり他はオフ状態になる。
【0272】
図91にX駆動回路6の構成を示す。X駆動回路306は311〜315のDフリップフロップから成り、311〜15はCLKをクロック、STHXをスタートパルスとしいわゆるシフトレジスタを構成している。
【0273】
図92にCs駆動回路307の構成を示す。Cs駆動回路307は316〜319のDフリップフロップから成り、316〜319はCLKをクロック、STHCSをスタートパルスとするいわゆるシフトレジスタを構成している。
【0274】
図93にX駆動回路306,Cs駆動回路307の動作を示す。STHXは表示装置がX方向ペン座標検出期間になると1CLK分VHになり、VX1〜VX5が順次VHになる。ただし、VX1〜VX5はそれぞれX1〜X5の印加電圧を示し、VC1〜VC4はそれぞれC1〜C4の印加電圧を示す。STHCSは表示装置がY方向ペン座標検出期間になると1CLK分VHになり、VC1〜VC5が順次VHになる。また、VXT,VYTは制御部9の内部信号で、VXTはX方向ペン座標検出期間時にHighレベルで他の期間はLowレベルである。VYTはY方向ペン座標検出期間時にHighレベルで他の期間はLowレベルである。以上の動作は図91及び図92から明らかである。
【0275】
図94(a)に検出ペン310が表示装置のS14及びCS13上近傍に配置されている図を示す。また、この時の断面図を図94(b)、図94(c)に示す。図94(b)、図94(c)に示す通り、ペン先310と表示装置の各電極間及び各電極間には結合容量が存在しており、cpgはゲート線とペン先310との結合容量を、cpsは信号線とペン先310との結合容量を、csgは信号線とゲート線との結合容量を、cscは信号線とCs線との結合容量を、csは画素電極とCs線との結合容量を、cpcはCs線とペン先310との結合容量を、cplcは画素電極とペン先310との結合容量を、cgsはゲート線と画素電極との結合容量を、clcは着色層407と画素電極との結合容量を、cscomは信号線と着色層407との結合容量をそれぞれ示している。但し、図94(b)、図94(c)に示している各結合容量は結合容量を形成する電極間から直接結合されている結合容量を示し、他の電極を通して生じる結合容量は含まれない。例えばペン先310と信号線404の電極のみ考慮した場合、ペン先310と信号線404の結合容量は図94(b)に示すcpsであるが、実際はCs線等の他の電極が表示装置には存在しており、これらに一定のバイアス電圧が印加されず電荷の出し入れが出来ない場合これらの電極を通した結合容量がペン先310と信号線404間に生じる。なお、図94(b),(c)に示す各結合容量は、信号線一本とペン先310との結合容量を、Cs線一本とペン先310との結合容量を、ゲート線一本とペン先310との結合容量を、1画素電極とペン先310との結合容量を、信号線一本と対向電極との結合容量を、Cs線一本と対向電極との結合容量を、ゲート線一本と対向電極との結合容量を、1画素電極と対向電極との結合容量をそれぞれ示している。
【0276】
また、本実施例に於いて、表示装置が表示期間から垂直ブランキング期間になった際でX1がVLからVHになる直前に於いて、信号線駆動回路304及びゲート線駆動回路305,Cs駆動回路307は全信号線及び全ゲート線、全Cs線にVLを供給する。この様にしたことで表示期間から垂直ブランキング期間に移った際、TFTは確実にすべてオフし信号線に信号線電圧を供給する供給源が信号線駆動回路304からX駆動回路306に変わっても信号線電圧がVL一定に保たれているので、信号線、ゲート線、Cs線、画素電極等に電圧変動が生じないため検出ペン310に誤差電圧が生じずより正確な座標検出が可能となった。
【0277】
本実施例におけるペン先310と信号線404との結合容量Cpstotal (ペン先310,信号線404以外の電極を通して生じる結合容量を含む)及びペン先310とCs線402との結合容量Cpctotal (ペン先310,Cs線402以外の電極を通して生じる結合容量を含む)を求めると以下の様になる。なお、アレイ基板400の厚さは酸化膜401,液晶層406の厚さに比べ圧倒的に厚い。
【0278】
Cpstotal =Cpctotal =Cps+Cpc+Cplc+Cpg
よって、信号線及びCs線の電圧変化(ΔVs,ΔVcs)により生じる検出電圧は以下の通りである。
【0279】
Vp=ΔVs*Cpstotal /(Cpstotal +CL) …(5)
Vp=ΔVcs*Cpctotal /(Cpctotal +CL) …(6)
X駆動回路306及びCs駆動回路307を駆動することによって生じる検出電圧は図95の通りである。検出ペン310のペン先が位置している画素電極に係っている信号線及びCs線に電圧変化が生じると図95に示される通り検出電圧にも電圧変化が生じる。
【0280】
図96に検出電圧に生じる電圧変化のタイミングから検出ペンの位置座標を求める制御部9の内部機能を示す。図96の320はVpを扱い易いデジタルパルス信号に変換する波形補正回路であり、321,322はクリアー機能付きカウンターであり例えば74HC163等で良い。323,324はフリップフロップでありカウンタ321,322の出力を記憶保持する。図96に示す制御部309の動作を図97に示す。なお、図97では321〜324の出力を10進数で示しているが実際は複数ビットで表わされる2進数である。VPは波形補正回路320により1CLKのデジタルパルスに変換され、カウンタ321及び322はクリアーされた後のCLKをカウントしフリップフロップ323及び324に出力する。フリップフロップ323はX方向ペン座標検出期間でかつVppがHighレベルの時カウンタ321の出力を取り込み保持する。フリップフロップ324はY方向ペン座標検出期間でかつVppがHighレベルの時カウンタ322の出力を取り込み保持する。従って、フリップフロップ323及び324に保持される値はペン先がどの画素電極上に配置されるかによって異なり、フリップフロップ323はX方向のペン座標を示すデータを保持しフリップフロップ324はY方向のペン座標を示すデータを保持する。本実施例ではF1=3、F2=2が保持されるが、ペン先がs3とcs2に係る画素電極上に配置されている場合F1=2、F2=1が保持される。つまり、ペン先の位置に応じたF1,F2の値が得られる。図示しないが制御部309では内部データであるF1,F2の値からペン先の位置を決定し、その位置を表示するためのデータを信号線駆動回路304及びゲート線駆動回路305に送っている。本発明に係るペン入力表示装置では上述により正確な座標検出が可能である。
【0281】
図98に本実施例に係る表示装置をTFT基板側から見た図を示す。図98ではペン先310が表示装置上に配置されてる時の様子を示しており、図98の点線はペン先と表示装置との接触面を示している。本実施例に於いて画素電極、信号線、ゲート線、Cs線のサイズは図98に示す通り、画素電極300μm*100μm、ゲート線幅10μm、信号線幅10μm、Cs線幅10μmである。表示装置の各電極とペン先との結合容量は図98に示すペン先と表示装置との接触面と各電極がどの程度オーバーラップしているかによる。なぜなら平行平板タイプの容量は一般に以下の式で表わされ、
C=ε0 εx S/d
ε0 =真空の誘電率
εx =コンデンサーの電極間に挟まれた絶縁体の比誘導率
S=上記電極の面積
d=上記絶縁体の厚さ
コンデンサーを形成する電極の面積を大きくすることで容量値を大きくすることが可能である。
【0282】
従って、Cps,Cpc,Cplc,Cpgをそれぞれ比較した場合図98から明らかな様に、ペン先と表示装置との接触面と画素電極の重なり面積は他の電極の重なり面積に比べ圧倒的に広いため、
Cplc≒10Cps≒30Cpc≒60Cpg
Cps=0.1fF
である。(5),(6)式より本実施例において検出電圧に生じる電圧変化ΔVpは
Figure 0003866336
である。ちなみに実測値はVp=38mVであった。実測値が理論値よりも低くなったのは、表示装置には図示していないが1上に保護用シートを被せておりその分絶縁体の厚みがましたためだと考えられる。
【0283】
図94(b)、図94(c)に於ける検出ペンと表示装置の各電極間等価回路は図99の通りである。ここで、VX4をVL〜VHに駆動(信号線電圧変化ΔVs=VH−VL)する際他の電極をフローティング状態にしなければ、Cpstotal は以下の様になる。
【0284】
Cpstotal =Cps=0.1fF
Vcs3をVL〜VHに駆動(Cs線電圧変化ΔVcs=VH−VL)する際他の電極をフローティング状態にしなければ、Cpctotal は以下の様になる。
【0285】
Cpctotal =Cpc=0.03fF
また、この時のVpに生じる電圧変化(ΔVp)は、それぞれ以下の通りである。
【0286】
Figure 0003866336
となり、実測ではバックライト(図示せず)や308などの電源ノイズが原因でこれらは検出不可能であり座標検出を正常に行うことができなかった。
【0287】
よって、本実施例による効果が確認できた。
【0288】
【発明の効果】
本発明の第1実施例によれば、表示装置と独立して座標検出用タブレットを、表示装置の表又は裏に設ける必要が無く、表示装置と座標検出用タブレットを同一面に形成できるので、ペン入力一体型表示装置の軽量薄型化及び高画質化可能であり、表示装置が数インチ以上の大画面であればあるほど、ペン入力に必要とする部品点数が基本的に変わらないので、本発明による軽量薄型化の効果は大きい。
【0289】
例えば、表示装置が対角12.1インチXGAで画素ピッチが210μm*70μmのものや、表示装置が対角40インチで画素ピッチが630μm*210μmのものなどに有効であり、表示装置としては透過型でサイズが対角5.5インチ以上のものに特に有効である(対角10インチ以上にはより有効で、対角20インチ以上には更に有効である)。
【0290】
また、表示装置上のペンの移動量を、ペンが有する光センサーによって表示装置から直接瞬間的に検出するので、高時間分解能な座標検出が可能である。よって、手書き入力に於いて表示装置に対して小さい字を早く書く様な場合(表示装置の大きさを1とした場合に於いて、大きさ10分の1以下の字を書く場合などに本発明は有効であり、また、80ドット/秒以上の速度で手書き入力する場合に本発明は有効である)、本発明は非常に有効である。
【0291】
また、表示装置上のペンのX方向の移動量と表示装置上のペンのY方向の移動量を、表示装置表面の表示装置本来ある異なる空間光学特性差によって検出することが可能であるため、ペンX方向に移動したのかY方向に移動したのかより正確に検出することが可能である。
【0292】
また、ペンが有する光センサーの受光面が表示装置上のX方向とY方向とで異なった長さであるため、光センサーが表示装置のどちらか一方向の空間光学特性差の影響を受けやすくなるので、ペンがX方向に移動したのかY方向に移動したのかより正確に検出することができる。
【0293】
また、ペンが表示装置上に配置された座標を、表示装置のCs線及び信号線を順次選択駆動する際に画素電極に生じる突き上げ電圧による表示装置の輝度変化を利用して検出するので、表示装置に於けるアレイ基板と独立して座標検出用アレイ基板を設ける必要が無く、表示装置と座標検出用タブレットを同一面に形成できるので、ペン入力一体型表示装置の軽量薄型化が可能であり、容量結合による表示装置の輝度変化を利用して、座標を検出するので、画素電極に瞬時に所望する電圧を印加することが出来、画素電極を駆動するスイッチング素子のばらつきが影響されず、高精度な座標検出が可能である。
【0294】
また、検出した座標を調整することが可能なため、表示装置の応答速度の温度特性のため発生した検出誤差を調整し、より高精度な座標検出が可能である。
【0295】
また、表示装置の画素電極毎に配置されたスイッチング素子をオフした後、Cs線によって突き上げ電圧を発生させるので、座標検出時に画素電極への信号線電圧書き込みによって生じる表示装置の輝度変化の影響を受けないのでより高精度な座標検出が可能である。
【0296】
また、Cs線をCs線駆動手段から切り離した後、信号線によって突き上げ電圧を発生させるので、生じた突き上げ電圧がCs線駆動手段の影響を受けず突き上げ電圧を維持することが出来る。
【0297】
よって、高画質、軽量薄型で高時間分解能、高精度座標検出を実現したペン入力一体型表示装置を得ることが出来る。
【0298】
本発明の第2の実施例によれば、ペン入力装置に於けるペンと表示装置の傾きが変化してもペンの光センサーの受光面の表示装置に対する傾きが0度から45度に保たれるので、受光面に入射する光エネルギーが大きく変化せず、結果として、ペンと表示装置の傾きによって生じる光センサーの誤動作を抑え、より高精度な座標検出が可能である。
【0299】
本発明の第3及び4の実施例によれば、補正手段が移動速度と移動速度の変化と移動ベクトルと移動ベクトルの変化にもとずいてペン座標を補正し、移動速度が増加したにもかかわらず移動ベクトルが変化するペン座標を削除し、削除する直前の移動速度及び移動ベクトルと削除後の移動速度及び移動ベクトルを比較し、削除後の移動ベクトルと削除する直前の移動ベクトルが同じかもしくは削除後の移動速度が削除する直前の移動速度よりも遅いかもしくはほぼ等しければ削除後のペン座標を削除しないので、ペン座標の人間工学にもとずいた補正ができる。
【0300】
本発明の第5の実施例によれば、信号線を駆動してペン座標を検出する際ゲート線およびCs線および対向電極のうち少なくとも一つをフローティング状態にし、ゲート線を駆動してペン座標を検出する際信号線およびCs線および対向電極のうち少なくとも一つをフローティング状態にし、Cs線を駆動してペン座標を検出する際信号線およびゲート線および対向電極のうち少なくとも一つをフローティング状態にするので、検出ペンが表示装置の各電極とより大きな結合容量を有することができる。
【0301】
このため、第5実施例によれば、細かい筆跡でかつすばやい手書き入力でも見栄えの良い手書き入力ができるとともに信号線、ゲート線、Cs線が細くなっても正確な手書き入力ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例に係わるペン入力一体型表示装置の構成を示す図。
【図2】同第1実施例に係わるペン入力一体型表示装置の外形図を示す図。
【図3】同第1実施例に係わるペン入力デバイスの断面図。
【図4】同第1実施例に於けるペン入力デバイスの受光の様子を示す図。
【図5】同第1実施例に係わる対向基板の構造を示す図。
【図6】同第1実施例に係わるフォトダイオードアレイ構造を示す図。
【図7】同第1実施例に係わるフォトダイオードアレイ構造を示す図。
【図8】同第1実施例に係わるフォトダイオードアレイ構造を示す図。
【図9】同第1実施例に係わるフォトダイオードアレイの等価回路を示す図。
【図10】同第1実施例に係わるペン入力デバイスの構成を示す図。
【図11】同第1実施例に係わるペンシステムリセット部の構成と出力波形を示す図。
【図12】同第1実施例に係わる光信号変換基本回路の構成を示す図。
【図13】同第1実施例に係わるフォトダイオードの特性を示す図。
【図14】同第1実施例に係わる移動量検出部の構成図。
【図15】同第1実施例に係わるY方向移動量検出部の構成図。
【図16】同第1実施例に係わるレベルシフト部の構成図。
【図17】同第1実施例に係わるレベルシフト部の動作例を示した図。
【図18】同第1実施例に係わるシリアル信号発生部の構成図。
【図19】同第1実施例に係わるシリアル信号発生部の構成図。
【図20】同第1実施例に係わるパルス3分の一回路の動作を示した図。
【図21】同第1実施例に係わるシリアル信号発生部の動作を示した図。
【図22】同第1実施例に係わるパラレル信号発生部の構成を示した図。
【図23】同第1実施例に係わるパラレル信号発生部の構成を示した図。
【図24】同第1実施例に係わるフルアダーの回路構成例を示した図。
【図25】同第1実施例に係わるパラレル信号発生部の動作例を示した図。
【図26】同第1実施例に係わる初期座標検出部の構成を示した図。
【図27】同第1実施例に係わるY方向初期座標検出部の構成を示した図。
【図28】同第1実施例に係わるY方向初期座標検出部の動作を示した図。
【図29】同第1実施例に係わる立ち上がりエッジ検出回路の動作を示した図。
【図30】同第1実施例に係わるX駆動部の構成を示した図。
【図31】同第1実施例に係わるX駆動部の動作例を示した図。
【図32】同第1実施例に係わるX方向初期座標検出部の構成を示した図。
【図33】同第1実施例に係わるX方向初期座標検出部の動作を示した図。
【図34】同第1実施例に係わるY座標検出部の構成を示した図。
【図35】同第1実施例に係わるCs線駆動部の構成を示した図。
【図36】同第1実施例に係わるCs線駆動部の動作を示した図。
【図37】同第1実施例に係わるパルス幅変調回路の動作を示した図。
【図38】同第1実施例に係わるゲート線駆動部3の動作を示した図。
【図39】同第1実施例に係わる信号線駆動部の動作を示した図。
【図40】同第1実施例に係わる表示装置上に於けるペン先の位置を示した図。
【図41】同第1実施例に係わる画素電極電圧のタイミングを示した図。
【図42】同第1実施例に係わる表示装置のV−T特性を示す図。
【図43】同第1実施例に係わる画素容量モデルを示す図。
【図44】同第1実施例に係わるパックライトの相対出力及び各着色層の透過率特性及びフォトダイオードの受光感度特性を示す図。
【図45】同第1実施例に係わるフォトダイオードの受光変化を示す図。
【図46】TN液晶、強誘電液晶、反強誘電液晶の応答速度を示す図。
【図47】同第1実施例に係わるY方向初期座標検出部の動作を示す図。
【図48】同第1実施例に係わるCs線駆動部の出力がハイインピーダンスでアレイ基板のTFTが全てオフしている時の画素容量モデルを示す図。
【図49】同第1実施例に係わるX方向初期座標検出部の動作を示す図。
【図50】同第1実施例に係わるブラックマトリクスの透過率特性とブラックマトリクス上のフォトダイオードの受光感度特性を考慮した受光成分を示した図。
【図51】同第1実施例に係わるフォトダイオードの配置状態を示した図。
【図52】同第1実施例に係わる図51(a)に於ける各受光面の受光状態を示した図。
【図53】同第1実施例に係わる図51(b)に於ける各受光面の受光状態を示した図。
【図54】同第1実施例に係わるアレイ基板8の構造とブラックマトリクスの配置を示した図。
【図55】同第1実施例に係わる表示装置上に於けるペン先の位置を示した図。
【図56】同第1実施例に係わる表示装置上に於けるペン先の位置を示した図。
【図57】同第1実施例に係わる表示装置上に於けるペン先の位置を示した図。
【図58】同第1実施例に係わる各受光面の相対照度の時間変化を示した図。
【図59】同第1実施例に係わる光信号変換部の相対出力の時間変化を示した図。
【図60】同第1実施例に係わる各レベルシフト部の出力の時間変化を示した図。
【図61】同第1実施例に係わるシリアル信号発生部の動作を示した図。
【図62】同第1実施例に係わるパラレル信号発生部の動作及びY座標検出部の動作を示した図。
【図63】同第1実施例に係わるシリアル信号発生部の動作を示した図。
【図64】同第1実施例に係わるパラレル信号発生部の動作及びX座標検出部の動作を示した図。
【図65】本発明の第2の実施例に係わるペン入力デバイスを示す図。
【図66】同第2実施例に係わるペン入力デバイスを示す図。
【図67】同第2実施例に係わるペン入力デバイスを示す図。
【図68】同第2実施例に係わるペン入力デバイスを示す図。
【図69】本発明の第3の実施例に係わるペン入力デバイスを示す図。
【図70】同第3実施例に係る表示装置10’とDX,DY信号の関係を示す図。
【図71】同第3実施例に係る手書き入力の様子を示す図。
【図72】同第3実施例に係る手書き入力の様子を示す図。
【図73】同第3実施例に係る本発明の効果が無い場合の手書き入力結果を示す図。
【図74】同第3実施例に係るペン入力座標データDX,DYと時間関係を示す図。
【図75】同第3実施例に係るペンスピード検出部の構成を示す図。
【図76】同第3実施例に係るベクトル変化検出部の構成を示す図。
【図77】同第3実施例に係る図73に対応した移動ベクトル方向の定義を示す図。
【図78】同第3実施例に係るベクトル変化検出部の動作を示す図。
【図79】同第3実施例に係るペンスピード検出部、ベクトル変化検出部、補正部の動作を示す図。
【図80】同第3実施例に係る補正部172の構成を示す図。
【図81】同第3実施例に係る補正部172の構成を示す図。
【図82】同第3実施例に係る本発明の効果を示す図。
【図83】本発明の第4実施例に係るペン入力装置の構成図
【図84】同第4実施例に係るペン座標検出の原理を示す図。
【図85】同第4実施例に係るインピーダンス変換部8の構成を示す図。
【図86】同第4実施例に係るsw1〜sw4の制御を示す図。
【図87】同第4実施例に係る図84(c)の等価回路を示す図。
【図88】同第4実施例に係る図84(c)の等価回路を示す図。
【図89】本発明の第5実施例に係るペン入力装置の構成図。
【図90】同第5実施例に係るペン入力装置の駆動シーケンスを示す図。
【図91】同第5実施例に係るX駆動回路の構成を示す図。
【図92】同第5実施例に係るCs駆動回路の構成を示す図。
【図93】同第5実施例1に係るX駆動回路とCs駆動回路の動作を示す図。
【図94】同第5実施例に於いて検出ペンが表示装置上に配置されている様子を示す図。
【図95】同第5実施例におけるペン座標検出方法を示す図。
【図96】同第5実施例におけるペン座標検出方法を示す図。
【図97】同第5実施例におけるペン座標検出結果を示す図。
【図98】同第5実施例におけるアレイ基板の構造を示す図。
【図99】同第5実施例における結合容量の等価回路を示す図。
【図100】従来例を示すための図。
【図101】従来例を示すための図。
【符号の説明】
30…着色層
33…フォトダイオードアレイ基板
44…オペアンプ
66、193…クリアー機能付Dフリップフロップ
67、68、184,185、231、232…カウンター
73〜73、237〜240…フルアダー
88、96、175,178…コンパレータ
87、95…オペアンプ
DFA〜DFF…フォトダイオード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a display device having a pen input function, and more particularly to a pen input display device in which pen input means is improved.
[0002]
[Prior art]
With the development of an advanced information society in recent years, there has been a strong demand for higher performance, lighter and shorter size, and lower power consumption of devices (information devices) that input, store and display the information. Under such circumstances, many types of information devices are currently proposed and put into practical use. Among them, a pen input display device equipped with a pen input function is attracting attention as an information device that satisfies the above requirements.
[0003]
As a means for inputting handwritten characters and figures into a computer, a word processor, a portable information terminal device, etc., for example, a pen input display device using a resistive thin film tablet (reference: Toshiba review 1994 Vol. 49 No. 12, Nikkei BP flat panel display '93, Nikkei BP MATERIALS & TECHNOLOGY 93.8) and pen input display devices using electromagnetic induction tablets (reference: Toshiba review 1994 Vol. 49 No. 12, Nikkei BP flat panel display '93, Nikkei BP MATERIALS & TECHNOLOGY 93.8) Pen input display device using electrostatic coupling tablet (Reference: Toshiba review 1994 Vol. 49 No. 12, Nikkei BP flat panel display '93, Nikkei BP M TERIALS & TECHNOLOGY 93.8), and other pen input display devices such as reference documents (Japanese Patent Laid-Open Nos. 4-283819, 4-299727, 5-127823, 5-158880, and 4-343387). Kaihei 5-189126, JP-A-5-197487, JP-A 62-92021, JP-A 63-293623, Nikkei Computer '93 / 6, IPSJ Journal 1988 Vol. 29 No. 3 “Online using handwritten editing symbols” Text and graphic editing method ").
[0004]
With the development of the information society in recent years, the definition of a display device in a pen input display device has been increasing, and at the same time the pixel size has been reduced. In addition, the pen input display device is required to have more accurate and quick performance for inputting a large amount of information.
[0005]
Recently, pen input display devices in which a display device and a pen input device (tablet) are integrated have been proposed (Japanese Patent Laid-Open Nos. 54-24538, 6-295219, 6-314165, and 4-337824). ) The pen input method is becoming the mainstream because pen input can be performed without impairing the display capability of the display device, and active elements such as transistors and diodes are used as these display devices for higher quality display. An active matrix type display device is used.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional capacitance method can integrate a pen input device and a display device, which is advantageous for reducing the thickness, cost, and cost of information equipment. However, the detection error is caused by electromagnetic noise from the display device. When the electrode in the display device is miniaturized (as in the TFT-LCD, the gate line and the nib electrode are basically utilized. When the signal line is thin or when the electrode is miniaturized for high definition of the display device, the detection error becomes large.
[0007]
The resistive film method is advantageous for reducing the weight and cost of information equipment, but the pen coordinate detection accuracy is not so good.
[0008]
Although the electromagnetic induction method is advantageous for highly accurate pen input, a detection tablet must be provided behind the display device, and it is difficult to reduce the size and weight. In addition, an information device having a large screen display device ( (40 inches or more), it is difficult to improve detection accuracy due to the problem of alignment accuracy between the display device and the detection tablet.
[0009]
In addition, in a pen input display device using a high-definition display device, hand shake that occurs when a user performs pen input and erroneous input that occurs because the input surface for performing pen input is slippery unlike paper are more prominent. The high-definition display that the display device has cannot be performed, and erroneous input due to camera shake or the like becomes noticeable handwriting. As a technique for correcting these, there are, for example, a reference (JP-A-6-295219, JP-A-5-274081) and a method of thinning the pen tip of the detection pen in accordance with the definition of the display device, but the pixel size is relatively small. When the handwriting input speed is relatively fast in a pen input display device having a display device, the above method is not sufficient.
[0010]
In addition, since the pen input display device performs handwritten input many times on the same surface, it is basically desirable that the pen tip of the detection pen be round so as not to damage the input surface. The input surface of the input display device is damaged, and the protective sheet must be replaced several times. If the pixel size is 300 μm × 300 μm or less (especially 150 μm × 150 μm or less), more advanced correction is required. Basically, the above-described method cannot perform advanced correction for each pixel, and the handwriting is fine. More accurate correction cannot be performed during quick handwriting input.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly accurate detection coordinate (high space) for a pen input integrated display device having a large-screen display device or a high-definition display device and having the same pen input surface and display surface. The present invention is to provide a pen input device having both resolution), lightness, smallness, and high time resolution.
[0012]
It is another object of the present invention to provide a pen input device that can perform handwriting input that is more accurate and finer than a pen input display device and that can be performed with good-looking handwriting.
[0013]
A further object of the present invention is to provide a capacitive pen input display device that is resistant to electromagnetic noise and has a small detection error.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
A pen input device and a display device according to the present invention are provided. 1 In the pen input integrated display device, the pen in the pen input device includes an optical sensor, and the amount of movement of the pen on the display device changes in accordance with the position change on the display device surface. It is characterized by comprising a movement amount detecting means for detecting the light transmittance of the surface by detecting it with the optical sensor. Therefore, the amount of movement of the pen in the pen input device on the display device can be detected based on the light transmittance of the surface that changes in response to a change in position on the surface of the display device.
[0016]
A pen input device and a display device according to the present invention are provided. 2 In the pen input integrated display device, the pen in the input device includes an optical sensor, and the amount of movement of the pen on the display device is determined by the light shielding unit disposed in the display device and the light of the opening. It is characterized by comprising a movement amount detecting means for detecting a transmittance difference by detecting it with an optical sensor. Therefore, the amount of movement of the pen in the pen input device on the display device can be detected based on the difference in light transmittance between the light shielding unit and the opening arranged in the display device.
[0017]
According to the first to third pen input integrated display devices of the present invention, there is no need to provide a coordinate detection tablet on the front or the back of the display device independently of the display device, and the display device and the coordinate detection device. Since the tablet can be formed on the same surface, the pen input integrated display device can be made lighter and thinner and the image quality can be improved. The larger the display device is a few inches or more, the more parts required for pen input. Therefore, the effect of reducing the weight and thickness according to the present invention is great.
[0018]
For example, the display device is effective when the diagonal is 12.1 inches XGA and the pixel pitch is 210 μm * 70 μm, or the display device is diagonal 40 inches and the pixel pitch is 630 μm * 210 μm. It is particularly effective for molds that are 5.5 inches diagonal or larger (more effective for diagonals 10 inches or more and even more effective for diagonals 20 inches or more).
[0019]
Further, since the movement amount of the pen on the display device is instantaneously detected directly from the display device by the optical sensor of the pen, coordinate detection with high time resolution is possible. Therefore, when writing small characters on the display device quickly in handwriting input (when the size of the display device is 1 and writing characters less than 1/10 in size, etc.) The present invention is effective, and the present invention is effective when handwritten input is performed at a speed of 80 dots / second or more). The present invention is very effective.
[0020]
In addition, the amount of movement of the pen on the display device in the X direction and the amount of movement of the pen on the display device in the Y direction can be detected based on different spatial optical characteristic differences inherent in the display device on the display device surface. It is possible to more accurately detect whether the pen has moved in the X direction or the Y direction.
[0021]
In addition, since the light receiving surface of the light sensor of the pen has different lengths in the X direction and the Y direction on the display device, the light sensor is easily affected by the spatial optical characteristic difference in one direction of the display device. Therefore, it is possible to more accurately detect whether the pen has moved in the X direction or the Y direction.
[0022]
In addition, since the coordinates where the pen is arranged on the display device are detected by using the change in luminance of the display device due to the push-up voltage generated in the pixel electrode when the Cs line and the signal line of the display device are sequentially selected and driven, the display is displayed. Since there is no need to provide an array substrate for coordinate detection independently of the array substrate in the device, the display device and the coordinate detection tablet can be formed on the same surface, making it possible to reduce the weight and thickness of the pen input integrated display device. Because the coordinates are detected by using the luminance change of the display device due to capacitive coupling, the desired voltage can be instantaneously applied to the pixel electrode, and the variation of the switching element that drives the pixel electrode is not affected, Accurate coordinate detection is possible.
[0023]
Further, since the detected coordinates can be adjusted, the detection error generated due to the temperature characteristic of the response speed of the display device can be adjusted, and more accurate coordinate detection can be performed.
[0024]
In addition, since the push-up voltage is generated by the Cs line after the switching element arranged for each pixel electrode of the display device is turned off, the influence of the luminance change of the display device caused by writing the signal line voltage to the pixel electrode at the time of coordinate detection is affected. Since it is not received, more accurate coordinate detection is possible.
[0025]
Further, since the push-up voltage is generated by the signal line after the Cs line is disconnected from the Cs line drive means, the push-up voltage generated can be maintained without being influenced by the Cs line drive means.
[0026]
Therefore, it is possible to obtain a pen input integrated display device that realizes high image quality, light weight, thin shape, high time resolution, and high accuracy coordinate detection.
[0027]
Furthermore, said 1st provided with the pen input device and display apparatus concerning this invention. Or second The pen input integrated display device includes a pen housing in which the pen in the pen input device is coupled to the housing via a buffer mechanism, and a light receiving surface of the light receiving portion. Is controlled to be parallel to the surface of the display device.
[0028]
A pen input device and a display device according to the present invention are also provided. 3 In the pen input integrated display device, the buffer mechanism is provided with a spring.
[0029]
A pen input device and a display device according to the present invention are also provided. 3 In the pen input integrated display device, the buffer mechanism includes a rubber.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0035]
FIG. 1 shows the configuration of a pen input display device according to the first embodiment. Reference numeral 1 shows drive signals VON, VOFF, VDD, control signals STV, CPV and outputs output signals VPSR, DX, DY, VYSTOP. It is a pen input device.
[0036]
8 is a signal line (S1 to Sn), gate line (G1 to Gm), Cs line (C1 to Cl), Cs capacity, and controlled by the gate line to write the signal line voltage to the Cs capacity and pixel capacity (not shown). This is an array substrate composed of TFTs, etc., and is a reference document (The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers Journal C-II Vol. J76-C-II No5 pp. 177-183 “Technical Trends of a-Si TFT / LCD” Nikkei BP, flat panel displays 1994-1995, Nikkei BP, Nikkei Microdevices April 1991-July 1994). A counter electrode (not shown) is disposed opposite the array substrate 8, and a liquid crystal (not shown) is sandwiched between the counter electrode and the array substrate 8 to provide a pixel capacitance (not shown). Forming. As these references, there are (Nikkei BP: Flat panel display 1994-1995, Nikkei BP: Nikkei Microdevices April 1991-July 1994).
[0037]
Reference numeral 2 denotes a signal line drive unit that receives the drive voltages VDD and VCC, the control signals CPH and SHT, the digital data VD, and the reference voltage VR, and writes the signal line voltage to the signal line, which is described in References (H. Okada, et al., SID93 Digest, pp.11-pp.14, T. Furuhashi, et al., SID94 Digest, pp.359-pp.362, Toshiba Integrated Circuit Technical Document “Toshiba LCD Driver Controller LSI 1992-1995”).
[0038]
Reference numeral 3 denotes a gate line driving unit which receives the driving voltages VON and VOFF and the control signals CPV, STV and VYSTOP and writes the gate voltage to the gate line, which is described in Reference Document (K. Hyugaji, et al., SID91 Digest, pp. 543). pp. 546, Toshiba Integrated Circuit Technical Document “Toshiba LCD Driver Controller LSI 1992-1995”).
[0039]
A Cs line drive unit 9 receives the drive voltages VON and VOFF and the control signals CPV, STV, VYSTOP and VPSR and writes the Cs voltage to the Cs line.
[0040]
Reference numeral 4 denotes an X drive unit that receives the drive voltage VON, the control signals VYSTOP, VXSTOP, and CPV and writes the signal line voltage to the signal line.
[0041]
A control unit 7 receives the driving voltage VDD, the control signals VPSR and ICPH, the digital source data SVD, and the coordinate data DX and DY related to pen input, and outputs CPV, STV, CPH, STH, and VD. The control unit 7 receives coordinate data DX and DY indicating the coordinates of the pen input device from the pen input device 1, and the coordinates detected by the signal line driving unit 2 and the gate line driving unit 3 with the pen input device are stored on the array substrate 8. After processing the data so that it can be displayed, the output signal is sent to the signal line driver 2 and the gate line driver 3.
[0042]
SW1 to SWn are switches controlled by the exclusive OR circuit 120, and are turned off when the output of 120 is high level and turned on when low level.
[0043]
Here, the horizontal direction of the array substrate 8 is the X direction (Xup is the right direction as shown in FIG. 1 and Xdown is the left direction), and the Y direction is the top direction (shown in FIG. 1). The direction is Yup, and the downward direction is Ydown).
[0044]
FIG. 2 shows the outer shape of the pen input display device, where 1 is a pen input device, 10 is a display device, 11 is a backlight, and 12 is a connection cord. In this embodiment, an active matrix type liquid crystal display device, so-called TFT-LCD (reference document: Nikkei BP, flat panel display 1990-1995, Nikkei BP, Nikkei Microdevice, April 1991 issue) 1994 July).
[0045]
A cross-sectional view of the pen input device 1 is shown in FIG. In FIG. 3, 13 indicates a metal A, 14 indicates a metal B, and 15 indicates a pen tip. The pen tip 15 can be moved by a force applied to the pen tip 15. By adding, metal A13 and metal B14 contact. The nib 15 is composed of 16 glasses, 17 photodiode arrays, 18 carrier tapes, etc., and the glass prevents a strong force from being directly applied to the 17. The incoming light is converted into an electrical signal, and the carrier tape 18 sends the electrical signal obtained by the photodiode array 17 to 20 circuit boards via 19 connectors. Various electronic components 21 for detecting the position of the pen tip 15 on the display device are mounted on the circuit board 20. Reference numeral 22 denotes a body of a pen input device, which uses a light and durable plastic. The drive voltage (VON, VOFF, VDD), control signals (STV, CPV, SSTH, CCPH) and output signals (VPSR, DX, DY, VYSTOP) shown in FIG.
[0046]
In this embodiment, the coordinate detection is performed using the photodiode array 17, but in actuality, the 17 may be configured by a discrete photodiode, or may be configured by a discrete or array-like phototransistor. . A charge coupled device such as a CCD may be used.
[0047]
FIG. 4 shows how light is received by the pen input device. The prism sheet 23 collects light emitted from the backlight 11 (27 indicates a light path) in the vertical direction of the backlight 11. The brightness of the display device is highest when the display device is viewed vertically, and the light emitted from the backlight 11 passes through the 26 polarizing plates and the array substrate 8 to the 24 liquid crystal layers. The light is modulated into light having an intensity corresponding to the applied voltage value, and is received by the photodiode array 17 through 25 counter substrates.
[0048]
FIG. 5 shows the structure of the counter substrate 25. FIG. Is a cross-sectional view, FIG. Shows a top view. In addition, The cross-sectional view of FIG. 5A is the AA cross-sectional view of FIG. 28 is glass, 29 is a light shielding layer (black matrix), 30 is a colored layer colored red (R), blue (B), and green (G), 31 is an overcoat layer, 32 is The counter electrode is shown. References for the counter substrate 25 include (Nikkei BP "Flat Panel Displays 91-95").
[0049]
Further, the light shielding layer may be simply referred to as a light shielding portion, and the colored layer may be simply referred to as a display portion or an opening portion.
[0050]
FIG. 6 shows the structure of the photodiode array 17, which has A light receiving surface, B light receiving surface, C light receiving surface, D light receiving surface, E light receiving surface, and F light receiving surface on 33 photodiode array substrates. Light energy incident on the light receiving surface is converted into electrical energy between the terminals (Ak-Aa to Fk-Fa) and output. The subscript k indicates the cathode and a indicates the anode.
[0051]
7 and 8 show other structures of the photodiode array 17, and at the same time, the colored layer 30 of the counter substrate 25 is overlapped with a dotted line to show the size and the positional relationship between the light receiving surfaces.
[0052]
FIG. 9 shows an equivalent circuit of the photodiode array 17, and DFA to DFF are photodiodes corresponding to the light receiving surfaces A to F, respectively.
[0053]
FIG. 10 shows the configuration of the pen input device. Reference numeral 34 denotes an optical signal converter that converts the optical energy from the display device 10 into electrical signals VA to VF and outputs the drive voltages VON, VOFF, and VDD. is there. Therefore, an electrical signal corresponding to the intensity of the light energy incident on the optical signal converter 34 (more precisely, the light energy incident on the light receiving surface of each photodiode in the optical signal converter) is output. The optical signal conversion unit 34 includes optical signal conversion basic circuits (not shown, which will be described in detail later) corresponding to the outputs VA to VF.
[0054]
A pen system reset unit 35 determines whether or not the pen input display device is in a pen input state, and indicates a pen input state when VPSR = High level, and a non-pen input state when VPSR = Low level. Since the system of the pen input display device is reset by the pen system reset unit 35, it is possible to enter the pen input state only when the user desires, so that malfunction (eg, malfunction due to light energy other than the display device) ) Can be prevented.
[0055]
Reference numeral 36 denotes an initial coordinate detection unit which receives drive voltages VON, VOFF, VDD and control signals STV, CPV, VPSR, VB, and outputs initial coordinate data DX03 to DX00 (X direction), DY03 to DY00 (Y direction). . The initial coordinate data is the coordinate data of the pen tip 15 on the display device 10 when VPSR changes from the Low level to the High level. Further, in FIG. 10, the X direction and the Y direction are simple for 4-bit data. However, for example, in the case of a VGA display device, the initial coordinate data is 9 bits for the Y direction and 10 bits for the X direction.
[0056]
Reference numeral 37 denotes a movement amount detection unit for detecting the movement amount of the pen tip 15 on the display device 10, which receives the driving voltages VON, VOFF, VDD, control signals VPSR, VA to VF, and movement amount data DX13 to DX10, DY13 to DY10 is output. The number of bits of the movement amount data is as described in the initial coordinate data.
[0057]
Reference numeral 38 denotes an X coordinate detection unit which outputs coordinate data (X coordinate data) DX3 to DX0 in the X direction from the data obtained by 36 and the movement amount detection unit 37.
[0058]
Reference numeral 39 denotes a Y coordinate detection unit which outputs coordinate data (Y coordinate data) DY3 to DY0 in the Y direction from the data obtained by 36 and the movement amount detection unit 37. Note that the number of bits in the coordinate data is as described in the initial coordinate data.
[0059]
FIG. 11 shows the configuration and output waveform of the pen system reset unit. FIG. 11A shows the configuration of the pen system reset unit, which consists of 41 inverters using metal A13, metal B14, 40 resistors, and VDD as the drive voltage. FIG. 11B shows the VPSR output waveform obtained. When the metal A13 and the metal B14 are in contact, VPSR = VDD, and when the metal A13 and the metal B14 are not in contact, VPSR = GND.
[0060]
FIG. 12 shows a specific example of the optical signal conversion basic circuit 46 in the optical signal converter 34. Reference numeral 42 denotes a resistor, 43 denotes a capacitor, 44 denotes an operational amplifier, and 45 denotes a resistor. 46 converts the optical signal incident on the A light receiving surface of the photodiode DFA into an electrical signal VA and outputs the electrical signal. The actual optical signal conversion unit 34 has an optical signal conversion basic circuit having the same configuration as that shown in 46 for each photodiode (DFA to DFF) of the photodiode array 17, and the electric signals VA to VF are respectively received. Output.
[0061]
FIG. 13 shows the relationship between the characteristics of the photodiode and the basic optical signal conversion circuit. FIG. 13A shows the general characteristics of the photodiode, and FIG. 13B shows the photodiode having such characteristics. The operation of the optical signal conversion basic circuit 46 is shown (reference: Hamamatsu Photoelectronics Co., Ltd. “Photodiode Catalog”). The operational amplifier 44 preferably has rail-to-rail characteristics and can output up to VOFF.
[0062]
As is clear from FIG. 13A, when a light with high illuminance is incident on the light receiving surface of the photodiode (here, for the sake of simplicity, the spectral wavelength characteristic of the photodiode is ignored), a larger output current is obtained. As apparent from the operation of the optical signal conversion basic circuit 46 shown in FIG. 12, most of the current flowing through the photodiode flows through the resistor 45 because of the low bias current characteristic and virtual short characteristic of the operational amplifier 44. Also, because of the virtual short characteristic of the operational amplifier 44, the inverting input terminal of the operational amplifier 44 is 0v, the output voltage is R44 as the resistance value of the resistor 45, and the current flowing through the photodiode is ID.
-R44 * ID [v]
It becomes. Therefore, the characteristics shown in FIG. 13B are obtained.
[0063]
FIG. 14 shows a configuration of the movement amount detection unit 37. The movement amount detection unit 37 includes a Y direction movement amount detection unit 47 and an X direction movement amount detection unit 48. The Y direction movement amount detection unit 47 determines the Y direction movement amount of the pen tip 15 on the display device 10 as VA and VB. , VC, and VPSR and output as DY13 to DY10 parallel signals (in this example, 4 bits, but the number of bits is as described in the initial coordinate data).
[0064]
48 detects the amount of movement of the pen tip 15 on the display device 10 in the X direction from VD, VE, VF, and VPSR, and DX13 to DX10 parallel signals (in this example, 4 bits are used, but the number of bits is the initial coordinate data. Output as described). For example, when the pen tip 15 moves by three gate lines, (DY13, DY12, DY11, DY10) = (0, 0, 1, 1) is output, and when the pen tip 15 moves by nine signal lines, DX13, DX12, DX11, DX10) = (0, 0, 1, 1) is output (in this embodiment, each RGB, R, G, B colored layer forms one RGB pixel, so the output is 0, 0, 1, 1).
[0065]
Further, in the TFT-LCD, each colored layer shown in FIG. 5 is usually called 1 dot, and each continuous RGB is made up of 3 dots for a total of 3 dots, but in this embodiment, 1 dot is called 1 pixel, One pixel is called an RGB pixel.
[0066]
FIG. 15 shows a configuration of the Y-direction movement amount detection unit 47, and the Y-direction movement amount detection unit 47 includes a level shift unit 49, a serial signal generation unit 50, and a parallel signal generation unit 51. 49 converts VA, VB, VC into digital data VAO, VBO, VCO at a level that is easy to handle. The serial signal generator 50 receives VAO, VBO, VCO and receives a VYup signal indicating the amount of movement in the Yup direction and a Ydown direction. The parallel signal generator 51 receives the VYup and VYdown signals and outputs parallel signals DY13, DY12, DY11, and DY10 indicating the amount of movement in the Y direction. Note that DY13, DY12, DY11, and DY10 are shown in complement.
[0067]
The configuration of the X-direction movement amount detection unit 48 is the same as that of the Y-direction movement amount detection unit 47 (however, VA, VB, VC, VAO, VBO, VCO, VYup, VYdown, DY13, DY12, DY11, DY10 are each VD. , VE, VF, VDO, VOEO, VFO, VXup, VXdown, DX13, DX12, DX11, DX10).
[0068]
FIG. 16 shows the configuration of the level shift unit 49, 52, 53 and 54 are comparators, 55 is a variable resistor and VON and VOFF are made from VREF1, and 56, 57 and 58 are N channel MOS transistors. Yes, 59, 60 and 61 are resistors, and 62 is an inverter.
[0069]
FIG. 17 shows an operation example of the level shift unit 49. VA, VB, and VC are analog signals corresponding to light energy incident on DFA, DFB, and DFC, and have amplitudes of VOFF to GND. The comparators 52, 53, 54 compare VA, VB, VC and VREF1, and output VON when VA, VB, VC> VREF1, and VOFF when VA, VB, VC <VREF1. Therefore, when VA, VB, and VC in FIG. 17 are input, the outputs of the comparators 52, 53, and 54 shown in FIG. 17 are obtained, and the MOS transistors 56, 57, and 58 operate as source followers. 17 VAO, VBO and VCO are obtained.
[0070]
The level shift unit in the X-direction movement amount detection unit 48 has the same configuration as that of the level shift unit 49 shown in FIG. 16 (however, VA, VB, VC, VAO, VBO, VCO are VD, VE, VF, VDO, VEO, VFO).
[0071]
FIG. 18 shows the configuration of the serial signal generation unit 50 in the Y-direction movement amount detection unit. SW01 and SW02 are switches controlled by the output signal Q of 66, and both SW01 and SW02 are off when Q = High level. When Q = Low level, SW01 and SW02 are both on. 63 and 64 are resistors, 65 is an OR circuit, and 66 is a D flip-flop with a clear function. Specific examples of the D flip-flop 66 include TC74HC74AP.
[0072]
FIG. 19 shows the configuration of the serial signal generation unit in the X-direction movement amount detection unit. SW03 and SW04 are switches controlled by the output signal Q of 193. When Q = High level, both SW03 and SW04 are off. When Q = Low level, both SW03 and SW04 are on. Reference numerals 190 and 191 denote resistors, 192 denotes an OR circuit, and 193 denotes a D flip-flop with a clear function. Specific examples of 193 include TC74HC74AP.
[0073]
Reference numeral 194 denotes a circuit of a pulse third, which is a circuit that operates as shown in FIG. The configuration and operation of the serial signal generation unit in the X-direction movement amount detection unit is the same as that of the serial signal generation unit 50 in the Y-direction movement amount detection unit, but the serial signal generation in the X-direction movement amount detection unit. There is a 1/3 pulse circuit 194 in the part.
[0074]
FIG. 20 shows an operation example of the pulse 1/3 circuit 194. The pulse one-third circuit 194 receives the input signals VXup and VXdown and outputs the output signals VXup3 and VXdown3, and outputs VXup3 for every three VXup pulses as shown in FIG. 20 (however, VXup pulse If a VXdown pulse is input before 3 pulses, subtract the number of VXdown pulses from the number of VXup pulses). Also, VXdown3 is output as one pulse every three VXdown pulses as shown in FIG. 20 (however, if the VXup pulse is input before the VXdown pulse becomes 3 pulses, the number of VXup pulses is subtracted from the number of VXdown pulses). . However, in the pulse 1/3 circuit 194, the pulse count method of VXup and VXdown is reset when the number of pulses is 3, and the count of the number of pulses is 0.
[0075]
FIG. 21 shows an operation example of the serial signal generation circuit unit 50. Note that tdelay 1 is a time until the output of the OR circuit 65 becomes High level, the output Q of the D flip-flop becomes High level, the SW01 and SW02 are turned off, and VYdown (or VYup) becomes Low level. .
[0076]
When the output Q of the D flip-flop 66 is High, SW01 and SW02 are off, so that GND (in this case, Low level) is supplied to VYup and VYdown through resistors 63 and 64. When VBO becomes Low, the D flip-flop 66 is cleared (Reference: Toshiba Integrated Circuit Technical Document “High Speed C2MOS TC74HC Series 1992”) Q becomes Low and SW01 and SW02 are turned on. Next, when High is input to either VAO or VCO, the output of the OR circuit 65 also becomes High, and the output Q of the D flip-flop 66 also becomes High. As a result, SW01 and SW02 are turned off, so that VYup and VYdown are Become Low.
[0077]
FIG. 22 shows the configuration of the parallel signal generation unit 51 in the Y direction movement amount detection unit, 67 and 68 are counters (for example, TC74HC161AP), 69, 70, 71 and 72 are inverters, and 220 is an AND circuit. 73, 74, 75, and 76 are full adder circuits (reference: CQ publisher, Kunio Ukai / Chuo Honda), digital system design), and FIG. 24 shows a configuration example and a Carnot diagram of the full adder circuit.
[0078]
In FIG. 24, 77 is an exclusive OR circuit, 78, 79 and 80 are NAND circuits, and 81 is a negative logic input OR circuit.
[0079]
FIG. 22 shows a configuration of a subtracting circuit that subtracts the number of VYup pulses from the number of VYdown pulses using a complement.
[0080]
FIG. 25 shows an operation example of the parallel signal generator 51 of FIG. In the parallel signal generator 51, if both VPSR and VXSTOP (described later) are not at a high level, the output of 220 is at a low level, and therefore the outputs of the counters 67 and 68 are all at a low level. Therefore, DY13, DY12, DY11, and DY10 are all “Low” regardless of how VYup and VYdown change.
[0081]
In this embodiment, as described above, the movement amount is detected only when both VPSR and VXSTOP are at the High level (that is, the movement amount can be detected only when the pen input state and the initial coordinate data are detected). Therefore, it is possible to prevent a malfunction of the pen input device (unintended information is input, or the initial coordinate data cannot be detected, and only the movement amount is output to an unintended location).
[0082]
When both VPSR and VXSTOP are at a high level, counters 67 and 68 output counts corresponding to the number of pulses of VYup and VYdown, respectively, and values calculated using complements are output from full adders 73, 74, 75, and 76. (DY13, DY12, DY11, DY10).
[0083]
FIG. 23 shows the configuration of the parallel signal generation unit in the X direction movement amount detection unit, 231 and 232 are counters (for example, TC74HC161AP), 233, 234, 235 and 236 are inverters, and 230 is an AND circuit. Reference numerals 237, 238, 239, and 240 denote full adder circuits (reference: CQ Publishing Co., Kunio Ukai / Takaji Honda), digital system design).
[0084]
The parallel signal generation unit in the X-direction movement amount detection unit in FIG. 23 has a configuration of a subtracting circuit that subtracts the number of VXdown3 pulses from the number of VXup3 pulses using a complement. This is the same as the parallel signal generator 51 in the detector.
[0085]
FIG. 26 shows the configuration of the initial coordinate detector 36 of FIG. The initial coordinate detection unit 36 includes an X-direction initial coordinate detection unit 82 that detects initial coordinates in the X direction and a Y-direction initial coordinate detection unit 83 that detects initial coordinates in the Y direction.
[0086]
FIG. 27 shows the configuration of the Y-direction initial coordinate detection unit 83.
[0087]
In FIG. 27, 84, 92, 85, and 93 are capacitors, and SW12 and SW13 are switches controlled by VPSR, which are turned off when VPSR is High and turned on when VPSR is Low. 86 and 94 are diodes, 87 and 95 are operational amplifiers, 88 and 96 are comparators, 89 and 97 are variable resistors that create VREF2 and VREF3 from VON and VOFF, respectively, 90 and 98 are P-channel MOS transistors, 91, 99 is an N-channel MOS transistor, 100 is an OR circuit, and 114 is a D flip-flop with a clear function (example: TC74HC74AP). 101 is an inverter, 102 is an OR circuit, 103 is an inverter, 104 is a counter (example: TC74HC161), and 105, 106, 107, and 108 are full adder circuits shown in FIG.
[0088]
The operation of the components shown in FIG. 27 will be briefly described. Capacitors 84 and 85 and a diode 86 form a clip circuit that cuts the voltage change on the high voltage side of VB. The forward voltage of the diode 86 is a Schottky barrier diode. If the voltage is low (ideally 0V in this case), the operation is performed so that a voltage change of 0V or more is not input to the operational amplifier 87, and VB- is generated from VB (and the capacitance value of 84 capacitors is 85 capacitors) Desirably larger than the capacity value). Reference numeral 87 denotes a voltage follower that impedance-converts an input signal and outputs it. 88 operates as a comparator and outputs VON when VB-> VREF2 and VOFF when VB- <VREF2. Reference numerals 90 and 91 operate as a level shift circuit, and convert the output of the comparator 88 into a signal of 0V to VDD.
[0089]
A clip circuit that cuts the voltage change on the low voltage side of VB is formed by the capacitors 92 and 93 and the diode 94. If the forward voltage of the diode 94 is as low as a Schottky barrier diode (in this case, ideally 0V) A voltage change of 0 V or less is not input to the operational amplifier 95 to create VB + from VB (and the capacitance value of 92 capacitors is preferably sufficiently larger than the capacitance value of 93 capacitors). Reference numeral 95 is a voltage follower that impedance-converts the input signal and outputs it. 96 operates as a comparator and outputs VOFF when VB +> VREF3 and VON when VB + <VREF3. 98 and 99 operate as a level shift circuit, and convert the output of the comparator 96 into a signal of 0V to VDD.
[0090]
The D flip-flop 114 outputs High at the rising edge of CLK, and then maintains VYSTOP = High until VPSR becomes Low.
[0091]
104 operates as a counter. When ENP = Low, the counter operation is stopped, and when Low is input to the clear terminal, the output is set to Low. For the operation of the counter 104, there is a reference document (Toshiba Integrated Circuit Technical Document “High Speed C2MOS TC74HC Series 1992”).
[0092]
105, 106, 107, and 108 operate as full adder circuits (a specific circuit configuration and a Carnot diagram are shown in FIG. 24. Reference: CQ Publishing Co., Ltd., Kunio Ukai / Chuo Honda), Digital System Design) DYa3, DYa2, DYa1, DYa0 are added to the output of the counter 104. DYa3, DYa2, DYa1, and DYa0 are for determining the initial state of DY03, DY02, DY01, and DY00. The temperature characteristics of the array substrate 8, pen input device 1, display device 10, and liquid crystal layer 24 are shown in FIG. 1 is a signal for the user who uses the pen input device of FIG. 1 to arbitrarily set and adjust when there is an error in the Y-direction initial coordinate detection by 83, and a High / Low signal by a switch (not shown) or the like. Enter. In addition, this signal may be adjusted, input and fixed when the product is completed, which basically improves the coordinate detection accuracy of the pen input device. In practice, this causes errors due to individual differences and temperature characteristics of the pen input device. Can be suppressed.
[0093]
Reference numeral 270 denotes a rising edge detection circuit. As shown in FIG. 29, the output becomes High immediately after the rising edge of STV, but then becomes Low immediately. Note that STV is a line synchronization signal, and CPV is a pixel synchronization signal.
[0094]
The operation of the Y-direction initial coordinate detection unit 83 is shown in FIG.
[0095]
When the system reset VPSR = High in FIG. 11, SW12 and SW13 are off, and when VPSR = Low, SW12 and SW13 are on. When SW12 and SW13 are on, VB + and VB- are GND (the forward voltages of 86 and 93 are ideally set to 0 V). When VREF2 and VREF3 are set as shown in FIG. Becomes VON, and the output of the OR circuit 100 becomes Low. Since VPSR = Low, VYSOTP is Low. At this time, since ENP = High, the counter 104 counts. Thereafter, VPSR = High, SW12 and SW13 are turned off, and when the voltage change occurs in VB and the outputs of the operational amplifiers 87 and 95 as shown in FIG. 28 are obtained, the output of the OR circuit 100 becomes VB− <VREF2. Is changed from Low to High, so VYSTOP = High and ENP = Low, so the count operation of the counter 104 is stopped and the count number counted at the tcount time is held and output to the full adders 105, 106, 107 and 108. . The full adders 105, 106, 107 and 108 add DYa3, DYa2, DYa1 and DYa0 to the output of the counter 104 and output the result as DY03, DY02, DY01 and DY00.
[0096]
As apparent from the operation of the counter 104, when STV = High when VYSTOP = Low, the output of the counter 104 is cleared and all become Low.
[0097]
1 CPV period corresponds to a time difference until VON is applied to the Cs line in the adjacent Cs line when the Cs line driving unit 9 of FIG. 1 is operating (VPSR = High, VYSTOP = Low). 27, when the STV 104 is reset, the circuit shown in FIG. 27 indicates which Cs line was scanned by the counter 104 when the Cs line driving unit 9 became VYSTOP = High. Detect by counting. That is, when VYSTOP = High (DY03, DY02, DY01, DY00) = (0, 0, 1, 1), when VYSTOP = High, the gate line driving unit 3 sets the third gate line. This means that they have been driven (however, DYa 3, DYa 2, DYa 1, DYa 0 are low level “0”).
[0098]
FIG. 30 shows the configuration of the X drive unit 4 of FIG. 1. SWX1, SWX2, and SWX3 are switches controlled by an AND circuit 350. When the output of 350 is high, the switch is on. When the output of 350 is low, the switch is off. is there.
[0099]
SWX4, SWX5, and SWX6 are switches controlled by a D flip-flop with a clear function (for example, TC74HC74AP) 115, which is on when the output Q of the D flip-flop 115 is High and off when the output Q of the D flip-flop 115 is Low. is there.
[0100]
SWX7, SWX8 (not shown), SWX9 (not shown) are switches controlled by a D flip-flop with a clear function (eg, TC74HC74AP) 116. When the output Q of 116 is High, the output Q of 116 is Low. Is off.
SWXn-2, SWXn-1, and SWXn are switches controlled by a D flip-flop with a clear function (for example, TC74HC74AP) 117. The switch is turned on when the output Q of 117 is High, and is turned off when the output Q of D flip-flop 117 is Low. It is.
[0101]
Switches SWX8 to SWXn-3 (not shown) controlled by a D flip-flop with a clear function (not shown) similar to the D flip-flop 115 are provided between SWX7 and SWXn-2. Control is performed in the same manner as the switch shown in FIG. That is, the three switches are controlled by the same D flip-flop with a clear function. Therefore, there are D flip-flops with a clear function, which is the number of switches SWX8 to SWXn-3 divided by three. 118 and an AND circuit 350 are AND circuits, and 119 is an inverter circuit.
[0102]
FIG. 31 shows an operation example of the X drive unit 4. As is apparent from the operations of the exclusive OR circuit 120 (see FIG. 1), the AND circuit 118, the inverter 119, and the AND circuit 350, when VYSOTP = VXSTOP, the output of the exclusive OR circuit 120 is Low and SW1 to SWn are on. However, when VYSOTP ≠ VXSTOP, the output of the exclusive OR circuit 120 is High and SW1 to SWn are turned off.
[0103]
SWX1 to SWXn are selectively turned on when VYSOTP = High and VXSTOP = Low and VPSR = High, but are all turned off when VXSTOP = High or VPSR = Low. Therefore, when SW1 to SWn are turned on and SWX1 to SWXn are turned off, the signal line voltage corresponding to the output of 2 is written to the signal line (S1-Sn).
[0104]
When SW1 to SWn are turned off and SWX1 to SWXn are selectively turned on, VON is written to the selected signal line (S1-Sn) according to the CPV timing. Further, as shown in FIG. 31, VON is written to the three signal lines at the same timing. (Example: VON is written to S1, S2 and S3 at the same timing) In FIG. 31, Sn means a signal line voltage applied to the signal line Sn.
[0105]
FIG. 32 shows the configuration of the X-direction initial coordinate detection unit 82 of FIG. In FIG. 32, 121, 122, 123, and 124 are capacitors, and SW14 and SW15 are switches controlled by VYSTOP, which are turned off when VYSTOP = High and turned on when VYSTOP = Low. 125 and 126 are diodes, 127 and 128 are operational amplifiers, 129, 130 are comparators, 131 and 132 are variable resistors that create VREF4 and VREF5 from VON and VOFF, respectively, 133 and 135 are 134 P-channel MOS transistors, 136 is an N channel MOS transistor, 137 is an OR circuit, and 138 is a D flip-flop with a clear function (example: TC74HC74AP). 140 is an inverter, 139 is an OR circuit, 141 is a counter (example: TC74HC161), and 142, 143, 144, and 145 are full adder circuits shown in FIG.
[0106]
32 briefly describes the operation of each of the components shown in FIG. 32. Capacitors 121 and 123 and a diode 125 form a clip circuit that cuts the voltage change on the high voltage side of VB. The forward voltage of the diode 125 is a Schottky barrier diode. If it is low (ideally 0V in this case), the operation is performed so that a voltage change of 0V or more is not input to the operational amplifier 127, and VBX- is generated from VB (and the capacitance value of the capacitor of 121 is that of the capacitor of 123 Desirably larger than the capacity value). The operational amplifier 127 is a voltage follower, and impedance-converts the input signal and outputs it.
[0107]
129 operates as a comparator and outputs VON when VBX-> VREF4 and VOFF when VBX- <VREF4. Reference numerals 133 and 134 operate as level shift circuits, and convert the output of the comparator 129 into a signal of 0V to VDD.
[0108]
A clip circuit that cuts the voltage change on the low voltage side of VB is formed by the capacitors 122 and 124 and the diode 126. If the forward voltage of the diode 126 is as low as a Schottky barrier diode (in this case, ideally 0V) A voltage change of 0 V or less is not input to the operational amplifier 128 to create VBX + from VB (and the capacitance value of the 122 capacitor is preferably sufficiently larger than the capacitance value of the 124 capacitor). Reference numeral 128 denotes a voltage follower that impedance-converts an input signal and outputs it.
[0109]
130 operates as a comparator and outputs VOFF when VBX +> VREF5 and VON when VBX + <VREF5. Reference numerals 135 and 136 operate as level shift circuits, and convert the output of the comparator 130 into a signal of 0V to VDD. The D flip-flop 138 outputs High at the rising edge of CLK, and then maintains VXSTOP = High until VPSR becomes Low.
[0110]
141 operates as a counter (for example, 74HC161). When ENP = Low, the counter operation is stopped. When Low is input to the clear terminal, the output is set to Low. For the operation of the counter 141, there is a reference document (Toshiba Integrated Circuit Technical Document “High Speed C2MOS TC74HC Series 1992”). Reference numerals 142, 143, 144, and 145 operate as full adder circuits (adder circuits) (see FIG. 24, reference: CQ publisher, Kunio Hikai / Chuo Honda), digital system design). DXa3, DXa2, DXa1, and DXa0 are added to the output. DXa3, DXa2, DXa1, and DXa0 are used to determine the initial state of DX03, DX02, DX01, and DX00, and are initially in the X direction because of the temperature characteristics of the array substrate 8, pen input device 1, display device 10, and liquid crystal layer 24. This is a signal for the user who uses the pen input device of FIG. 1 to arbitrarily set and adjust when an error occurs in the X-direction initial coordinate detection by the coordinate detection unit 82, and is set to High by a switch (not shown) or the like. A Low signal is input. In addition, this signal may be adjusted, input and fixed when the product is completed, and basically improves the coordinate detection accuracy of the pen input device. In practice, this can suppress errors due to individual differences and temperature characteristics. .
[0111]
FIG. 33 shows the operation of the X-direction initial coordinate detector 82. The output of the operational amplifier 127 <VREF4, the comparator 129 outputs VOFF, the output of the OR circuit 137 changes from 0V to VDD, and the output VXSTOP of the D flip-flop 138. Becomes High. Then, ENP of the counter 141 becomes Low, and the counting operation of the counter 141 is stopped. Accordingly, the counter 141 counts until VYSTOP = High and VXSTOP = High, and then maintains that value until VPSR = Low. The basic operation and basic configuration of the X direction initial coordinate detection unit are the same as those of the Y direction initial coordinate detection unit.
[0112]
FIG. 34 shows the configuration of the Y coordinate detection unit 39 of FIG. In FIG. 34, reference numerals 109, 110, 111, and 112 denote full adder circuits as shown in FIG. 24, which constitute an adder circuit, add DY13-DY10 to DY03-DY00, and DY3, DY2, DY1, DY0 is output.
[0113]
DY3, DY2, DY1, and DY0 indicate the positions of the pen tip 15 on the display device 10, and if (DY3, DY2, DY1, DY0) = (0, 0, 1, 1), they are controlled by the Cs line C3. The pen tip 15 is arranged on the pixel electrode (on the pixel electrode controlled by the TFT controlled by the gate line G3), and (DY3, DY2, DY1, DY0) = (0, 1, 1, 1) Then, it shows that the pen tip 15 is arranged on the pixel electrode controlled by the Cs line C7 (on the pixel electrode controlled by the TFT controlled by the gate line G7).
[0114]
The configuration of the X coordinate detection unit is the same as the configuration of the Y coordinate detection unit shown in FIG. 34 (however, DY03-DY00, DY13-DY10, DY3, DY2, DY1, DY0 are replaced with DX03-DX00, DX13-DX10). , DX3, DX2, DX2, DX0).
[0115]
FIG. 35 shows the configuration of the Cs line drive unit 9 of FIG. 146 in FIG. 35 is a delay circuit that delays and outputs the VYSTOP signal by tcs. SWZ1 to SWZl are switches controlled by VYSTOP, which are turned on when VYSTOP = Low and turned off when VYSTOP = High, but the delay circuit 146 is turned on. Therefore, even if VYSTOP changes from Low to High, it does not turn off immediately but turns off after tcs.
[0116]
Reference numeral 147 denotes an exclusive OR circuit, and reference numeral 148 denotes a pulse width modulation circuit. The pulse width of the STV is modulated to an arbitrary width as shown in FIG. 37, and the pulse width can be arbitrarily set. . Reference numerals 149, 150, 151, and 152 are D flip-flops with a clear function (for example, operate like TC74HC74AP), but not all are shown, but in reality, this is the number of Cs lines. The level shift circuit outputs VON when High is input from each flip-flop with a clear function, and outputs VOFF when Low is input.
[0117]
FIG. 36 shows an operation of the Cs line driving unit shown in FIG. When VYSTOP = Low and VPSR = High, the output of the exclusive OR 147 becomes High. Therefore, 149, 150, 151, and 152 are the same as the other D flip-flops with clear function (not shown). The input data is output in synchronization with and the output is held until the rising edge of CPV is input again. Therefore, when CPV and STV in FIG. 36 are input, VC1, VC2 and VC3 in FIG. 36 are output (VC1 is the same for other VC2 to VCl which means a voltage output from the Cs drive unit and applied to C1. is there). Note that 148 modulates the pulse width twice, and when VYSTOP = High when VPSR = High, the output of the exclusive OR 147 becomes Low, so the output of the Cs drive unit (VC1 to VCl) is completely at one end. After that, VZ is turned off, and SWZ1 to SWZl are turned off with a delay of tcs, and the output is set to a high impedance state. Therefore, no voltage is directly supplied to the Cs lines (Cs1 to Csl). Note that the pulse width modulation by 148 is changed according to the response speed of the liquid crystal layer 24 (the time from the application of voltage to the change in optical characteristics indicates the time from 10% to 90% of the normal luminance change). It is desirable to increase the pulse width when the response time is long, and shorten the pulse width when the response time is short.
[0118]
FIG. 38 shows the operation of the gate line driving unit 3 of FIG. When VPSR = High and VXSTOP = Low, the gate line driver 3 once writes VOFF to the gate lines (G1-Gm) so that all TFTs on the array substrate 8 are turned off. During other periods, normal operation is performed, and G1, G2, G3... (Here, meaning voltages written to the gate lines G1, G2, G3...) Are output at the timings of CPV and STV as shown in FIG.
[0119]
FIG. 39 shows an example of the operation of the signal line driver 2 shown in FIG. In this embodiment, the counter electrode voltage applied to the counter electrode 32 is GND (which can be adjusted according to display characteristics, but a DC voltage is applied to the counter electrode 32), and the signal line voltage of the signal line is When the potential is higher than GND, the polarity is positive, and when the signal line voltage of the signal line is lower than GND, the polarity is negative. 2 is for n-1 frame and n + 1 frame (or n-1 line and n + 1 line). ), A negative signal line voltage is written to odd-numbered signal lines (S1, S3, S5,... Sn-1), and a positive signal is applied to even-numbered signal lines (S2, S4, S6,... Sn). Write the line voltage. Further, the positive signal line voltage is written to the odd-numbered signal lines (S1, S3, S5,... Sn-1) at the time of n frames (or at the n-line), and the even-numbered signal lines (S2, S4, S6). ,... Sn is written with a negative signal line voltage.
[0120]
When the polarity switching described above is performed for each frame, it is called signal line inversion drive or power supply level shift drive (reference: Tsuchida et al., ITE '94 "Realization of signal line inversion drive by 5V driver IC"). Is called dot inversion driving. As a reference for these driving methods (Nikkei BP, flat panel display 1994-1995, Nikkei BP, Nikkei Microdevice June 1992, Ikeda, N et al., 1992, Society For Information Display 1992 International Symposium, lecture number 5.6, May 1992).
[0121]
The actual operation of the pen input display device according to the present invention will be described below. In the following description, VDD = 5V and VCC = -5V unless otherwise specified.
[0122]
FIG. 40 shows the position of the pen tip 15 on the display device 10 at t = t1.
[0123]
In FIG. 40, A, B, C, D, E, and F are the A light receiving surface, B light receiving surface, C light receiving surface, D light receiving surface, E light receiving surface, and F light receiving surface of the photodiode array 17, respectively. S1, S2, S3... Are signal lines, and G1, G2, G3. The black matrix 29 of FIG. 5 is arranged on the signal line and the gate line (in FIG. 40, the black matrix 29 and the signal line or gate line are shown as the same line in order to avoid complicating the drawing. When the gate line functions as a black matrix (reference: T. Ueda et al. SID93Digest 739-742) or when the black matrix 29 is present on the array substrate 8 (reference: Nikkei BP, flat panel display) 1990-1995, Nikkei BP, Nikkei Microdevices April 1991-July 1994) can be handled in the same way.For details of the black matrix 29, reference literature (Nikkei BP, flat panel) Display 1994-1995, Nikkei BP, Nikkei Lee black device 1991 April - July 1994), and the like.
[0124]
G1S1 in FIG. 40 indicates a pixel electrode surface (pixel electrode) connected to the TFT controlled by G1 and S1, and the liquid crystal layer 24 and the colored layer are formed on the pixel electrode as shown in FIGS. 30 (reference documents: Nikkei BP, flat panel displays 1994-1995, Nikkei BP, Nikkei Microdevices April 1991-July 1994). G1S2 and G2S1 are the same as G1S1, and the other pixel electrode surfaces are also the same (for example, G3S4 below D).
[0125]
Further, the colored layer 30 has three types of an R colored layer, a G colored layer, and a B colored layer, and the R colored layer is formed on the pixel electrode surface connected to the TFT controlled by S1, S4, S7,. A G colored layer is formed on the surface of the pixel electrode connected to the TFT controlled by S2, S5, S8..., And a B colored layer is formed on the pixel electrode surface connected to the TFT controlled by S3, S6, S9. Are arranged, and the colored layers are also arranged in this order on the other pixel electrode surfaces.
[0126]
FIG. 41 shows the timing of the pixel electrode voltage when VPSR is High, all the outputs of the gate line driving unit 3 are VOFF, and the Cs line driving unit 9 is operating. The timing of CPV and VC3 is as shown in FIG.
[0127]
VPG3S4 is a voltage written in G3S4, VPG3S6 is a voltage written in G3S6, and VPG3S5 is a voltage written in G3S5.
[0128]
At t = t1, VDD is applied to G3S4, GND is applied to G3S6, GND is applied to G3S5, and VCC is applied to G3S5. Since the counter electrode voltage is GND, the VT characteristics of the display characteristics shown in FIG. BP, flat panel display 1990-1995, Nikkei BP, Nikkei Microdevice June 1992 issue), G3S4 displays black in G3S5 and black in G3S6 (display device is normally white) ). A push-up voltage is generated in each pixel voltage at t = t2, which will be described below.
[0129]
43 shows a pixel capacity model on the array substrate 8 in this embodiment (reference: Suzuki et al., Television Society Journal, Vol. 47, No. 5, pp 649-655, Tomita et al., EID 91-120 pp29). -Pp34, Nikkei BP, flat panel display 1990-1995).
[0130]
43, G3 is the gate line of FIG. 40, S6 is the signal line of FIG. 40, C3 is the Cs line of FIG. 40, Csig, g is the coupling capacitance of the signal line and gate line in one pixel, Cgs is the coupling capacitance between the TFT gate and the pixel electrode, CLC is the liquid crystal capacitance between the counter electrode 25 and the pixel electrode in one pixel, Cs is the coupling capacitance (auxiliary capacitance) between the pixel electrode and the Cs line, and Cg , Com are the coupling capacitance between the gate line and the counter electrode 25 in one pixel, Cp and sig are the coupling capacitance between the signal line and the pixel electrode G3S6 in one pixel, and Csig and cs are the signal line and the Cs line in one pixel. Each coupling capacity is shown.
[0131]
The pixel capacity of the display device 10 according to the present embodiment can be expressed by the pixel capacity model shown in FIG.
[0132]
In such a pixel capacity model, if G3 = VOFF, VPG3S6 = 0V, S6 = 0V, and C3 = VOFF at t = t1, the charge QG3S6 (t1) stored in G3S6 ignores the effects of Cp and sig. Then
QG3S6 (t1) = − VOFF * (Cs + Cgs) [C] (1). When t = t2, G3 = VOFF, C3 = VON, VPG3S6 = VPG3S6 (t2), and S6 = 0V. The charge QG3S6 (t2) stored in G3S6 is
Figure 0003866336
However, VPG3S6 (t2) is the potential of G3S6 at t = t2. Also, because the TFT is off
QG3S6 (t1) = QG3S6 (t2) (3), and calculating equations (1), (2) and (3),
Figure 0003866336
Thus, VPG3S6 (t2) expressed by the equation (4) is obtained. As specific numerical values, when VON = 25V, VOFF = −10V, Cs = 0.5PF, Cgs = 0.02PF, CLC = 0.3PF,
VPG3S6 (t2) = 21.34V (5)
It becomes. However, the numbers after the decimal point are rounded off.
[0133]
Therefore, it was shown that VPG3S6 changes from 0V to 21.34V (VPG3S4 changes from 5V to 26.34V, VPG3S5 changes from -5 to 16.34V). This change in VPG3S6 is called a push-up voltage (here, it is a push-up voltage by the Cs line). Here, the push-up voltage generated when C3 changes from VOFF to VON is 21.34V.
[0134]
FIG. 44 shows the relative output of the backlight 11 and the transmittance characteristics of each colored layer 30 and the light receiving sensitivity characteristics of the photodiodes (DFA, DFB, DFC, DFD, DFE, DFF) of the photodiode array 17 according to this embodiment. Show.
[0135]
44A shows the relative output of the backlight 11, the horizontal axis indicates the wavelength, the vertical axis indicates the relative output normalized to 100% of the maximum output, and the wavelengths 430 nm to 440 nm, 540 nm to 550 nm, and 610 nm. The maximum relative output of 100% is output equally at ˜620 nm, but the relative output is not output at 0% in other bands.
[0136]
FIG. 44B shows the transmittance characteristics of each colored layer, with the horizontal axis indicating the wavelength and the vertical axis indicating the relative transmittance normalized to 100% of the maximum transmittance. In the B colored layer, the transmittance is 100% at a wavelength of 400 nm to 500 nm, and 0% in other bands. The G colored layer has a transmittance of 100% at a wavelength of 500 nm to 600 nm and 0% in other bands. In the R colored layer, the transmittance is 100% at a wavelength of 600 nm to 700 nm, and 0% in other bands.
[0137]
FIG. 44 (c) shows the light receiving sensitivity characteristics of the photodiode. The horizontal axis represents the wavelength, and the vertical axis represents the relative sensitivity (%) normalized to 100% of the sensitivity at the highest sensitivity wavelength. Thus, the light receiving sensitivity characteristic of the photodiode is not uniform with respect to the wavelength. Therefore, even if the radiant flux is the same, if the wavelength components are significantly different, the resulting output current of the photodiode will also be different.
[0138]
FIG. 45 shows the incident light incident on the light receiving surface of the photodiode DFB. FIG. 45A shows the light receiving component at t = t1, and when t = t1, VPG3S5 = VCC, VPG3S6 = GND, and VPG3S4 = VDD as shown in FIG. , G3S6 and G3S4 are displayed in blue. FIG. 45 (b) shows the light receiving component of the photodiode DFB at t = t2. Since the voltage is set as described above, G3S5, G3S6 and G3S4 are combined and black is displayed from FIG. Yes. 45 (a) and 45 (b), the horizontal axis represents the wavelength, and the vertical axis represents the relative input of the radiant flux incident on the light receiving surface of the photodiode DFB with the maximum input normalized to 100%.
[0139]
The liquid crystal layer 24 has a time from when a voltage is applied until the optical characteristics change. This is generally referred to as response speed (reference: Industrial Research Committee “All about Liquid Crystal Display” by Sasaki / Naemura, Kodansha Scientific “Liquid Crystal Materials” edited by Kusabayashi), which is about 20 msec for TN liquid crystal. The pulse width (time during which VON is output) of the output voltage (VC1, VC2,..., VCl) of the Cs line driver shown in FIG. 36 is 2 CPV, but this pulse width depends on the response speed of the liquid crystal layer. In the VGA class, 1 CPV period (one scanning period) is about 40 μsec. Therefore, it is preferable to take 2 CPV minutes or more in TN liquid crystal (more preferably between 5 CPV to 400 CPV, and even more preferably 10 CPV to It is desirable to take at least 1 CPV for an antiferroelectric liquid crystal or a ferroelectric liquid crystal having a response speed of about 200 μsec (more preferably between 1 CPV and 200 CPV, and even more preferably between 2 CPV and 100 CPV). Between). In the SVGA class, the 1 CPV period is about 32 μsec. Therefore, it is desirable that each liquid crystal material has a pulse width 1.25 times that of the VGA class. In the XGA class, the 1 CPV period is about 25 μsec. In each liquid crystal material, it is desirable to take a pulse width 1.6 times that of the VGA class. In other words, it is desirable that the TN liquid crystal has a pulse width of 80 μsec or more (more desirably between 200 μsec and 16000 μsec, and even more desirably between 400 μsec and 12000 μsec), and an antiferroelectric liquid crystal having a response speed of approximately 200 μsec. In a ferroelectric liquid crystal, it is desirable to take a pulse width of 40 μsec or more (more desirably between 40 μsec and 8000 μsec, and even more desirably between 80 μsec and 4000 μsec).
[0140]
This is because, as shown in FIGS. 46A to 46C, the response speed is remarkably different depending on each liquid crystal material, and the pulse width of the output voltage (VC1, VC2,..., VCl) of the Cs line driver is sufficiently long. Otherwise, the change in the transmittance of the liquid crystal phase 24 does not occur sufficiently, and the change in the light transmittance of the display device 10 cannot be accurately detected by the photodiode of the optical signal converter 34, resulting in erroneous detection of initial coordinate detection. For example, when the response speed is 20 msec, 1 CPV is 20 μsec, and the maximum brightness of the display device 10 is 100 [cd / mm 2], the pulse width of the output voltage (VC1, VC2,..., VCl) of the Cs line driving unit is 1 CPV. In the period, only about 0.1% of the light transmittance change of the display device 10 occurs (the brightness change is about 0.1 [cd / mm 2]), which is detected by a high-performance photodiode. Even if it is possible, such a change may occur as a change in luminance of the external light and the backlight, and each time a malfunction occurs. If the pulse width of the output voltage (VC1, VC2,..., VCl) of the Cs line driving unit is set to 2 CPV period, about 0.2% of the light transmittance change of the display device 10 occurs (the brightness change is about 0.1%). 2 [cd / mm <2>]), and it is strong against noise, so that malfunctions can be reduced. In FIGS. 46A to 46C, the vertical axis represents liquid crystal applied voltage and transmittance, and the horizontal axis represents time.
[0141]
Returning to the description, because of the change in the radiant flux incident on the light receiving surface of the photodiode DFB and the light receiving sensitivity characteristic of the photodiode DFB shown in FIGS. 45A and 45B, the display changes from blue to green. In the case of a change, the output changes in the photodiode DFB. 45 (c) and 45 (d) each show a light receiving component when the light receiving sensitivity characteristic of the photodiode is taken into consideration. The horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the maximum when the light receiving sensitivity characteristic of the photodiode is taken into consideration. The relative input of the radiant flux incident on the light receiving surface of the photodiode normalized with 1.0 is shown. From (c) and (d), when the light receiving sensitivity characteristic of the photodiode is taken into consideration at t = t1 to t = t2, the relative input of the radiant flux incident on the light receiving surface of the photodiode changes, and as a result, from FIG. The output current of the photodiode changes.
[0142]
In consideration of the above, the initial coordinate detection method according to the present embodiment will be specifically described.
[0143]
The details of detecting the initial coordinate in the Y direction of the pen tip 15 on the display device 10 will be described below.
[0144]
If the user places the pen tip 15 at the position of the display device shown in FIG. 40, VPSR becomes High, all the outputs of the gate line driving unit 3 become VOFF, and the Cs driving unit 9 starts to operate. SW12 and SW13 are turned off, and at that time, an output current corresponding to the radiant flux coming from the backlight 11 through G3S4, G3S6, and G3S5 flows to DFB, and the optical signal converter 34 in FIG. VB corresponding to is obtained, and VB is held in the capacitors 84 and 92 (however, SW12 and SW13 are turned off after VB is written in the capacitors 84 and 92). Thereafter, when a push-up voltage is generated at the timing shown in FIG. 41, and the output current of the photodiode decreases and VB increases due to the optical change of the liquid crystal layer 24, the operation of the capacitors 92 and 93 and the diode 94 in FIG. 47, the output of the operational amplifier 95 also rises. When the output of the operational amplifier 95 becomes VREF3 or more, the comparator 96 outputs VOFF, and the output of the OR circuit 100 becomes High. Since the pen tip 15 is in contact as a display device, VPSR = High, and as a result, VYSTOP = High at the timing shown in FIG.
[0145]
The timing at which VYSTOP = High depends on the position of the pen tip 15 in the Y direction of the display device. This is because the generated push-up voltage is generated by the rise of the Cs line voltage, and the timing at which VON of each Cs line rises is determined by the timing of STV and CPV, as shown in FIG. 36, and if C1, STV becomes High. Later, VON rises at 1 CPV, VON rises at 2 CPV if C2, VON rises at 3 CPV if C3, and mCPV if Cm (here, the rising edge of CPV is counted from the rising edge of STV to VCm = VON VON rises at that time.
[0146]
The Y-direction initial coordinate detection unit 83 shown in FIG. 27 can detect and hold the value of CPV counted for the tcount period as shown in FIG. 28, and here, 3CPV (QA = High, QB = High) by 104 , QC = Low, QD = Low), and if the correction values are set as DYa3 = Low, DYa2 = Low, DYa1 = Low, DYa0 = Low, DY03 = Low, DY02 = Low, DY011 = High, DY00 = High (Decimal number means 3), and the coordinates of the pen tip 15 in the Y direction on the display device 10 were detected. It should be noted that the response speed of the liquid crystal layer 24 used in this embodiment is sufficiently fast, about 50 μsec.
[0147]
Even if the response speed of the liquid crystal layer 24 is slow and 10 CPV (QA = Low, QB = High, QC = Low, QD = High) is counted by 104, the correction values are expressed as Dya3 = High, Dya2 = Low, Dya1 = Low, Dya0. = High (with 15 Cs lines), DY03 = Low, DY02 = Low, DY01 = High, DY00 = High (decimal number means 3), and the response speed of the liquid crystal layer 24 is corrected. Things are possible.
[0148]
Thus, initial coordinates in the Y direction (DY03 = Low, DY02 = Low, DY01 = High, DY00 = High) are detected. In this embodiment, after the TFT is turned off, a push-up voltage is generated by the Cs line driving unit 9, so that the initial coordinate detection unit does not malfunction due to the luminance change of the display device 10 that occurs when the signal line voltage is written to the pixel electrode. Since the initial coordinate detection unit detects only the luminance change on the display device 10 caused by the push-up voltage, highly accurate initial coordinate detection is realized. The period from when the TFT is turned off until the Cs line driving unit 9 operates is 100 μsec or more (more desirably 1 msec or more) for TN liquid crystal, and 5 μsec or more (more desirably 20 μsec or more) for ferroelectric liquid crystal or antiferroelectric liquid crystal. It is desirable to take.
[0149]
The values of DY3, DY2, DY1, and DY0 are controlled by the pixel electrode at which the pen tip 15 is controlled by the Cs line from the top of the array substrate 8 (controlled by the gate line from the top of the array substrate 8 via the TFT). In this case, the pixel electrode is positioned on the pixel electrode controlled by the third (C3) Cs line from the top of the array substrate 8. The values of DY3, DY2, DY1, and DY0 indicate in binary notation the pen tip 15 is on the pixel electrode controlled by the Cs line from the top of the array substrate 8, and (DY3 = Low, DY2 = Low, DY1 = Low, DY0 = High) indicates that the pen tip 15 is located on the pixel electrode controlled by the first Cs line from the top of the array substrate 8, and (DX3 = Low, DX2 = Low) , DX1 = High, DX0 = Low) indicates that the pen tip 15 is located on the pixel electrode controlled by the second Cs line from the top of the array substrate 8, and (DX3 = Low, DX2 = Low, DX1 = High, DX0 = High) indicates that the pen tip 15 is located on the pixel electrode controlled by the third Cs line from the top of the array substrate 8.
[0150]
Thus, it is possible to detect the initial coordinate in the Y direction from the operation of the Cs drive unit 9 and the detection timing of the Y-direction initial coordinate detection unit 83 (FIG. 47).
[0151]
When the initial coordinates are detected by the change in the optical characteristics of the liquid crystal layer 24 (in this embodiment, the change in the optical characteristics of the liquid crystal layer 24 is caused by the push-up voltage), the pixel electrode voltage is written by the positive signal line. Even if a push-up voltage is generated in a certain pixel electrode, the light receiving surface of the photosensor for initial coordinate detection does not receive light from the pixel electrode predominantly because of the optical characteristics of the liquid crystal layer 24 as shown in FIG. Since the optical characteristics on the pixel electrode do not change, initial coordinate detection cannot be performed.
[0152]
In the present embodiment, the length of the light receiving surface in the X direction when the light receiving surface of the photosensor for initial coordinate detection is arranged so that the X direction is the longest is the X length of one pixel electrode as shown in FIG. The pixel electrode is longer than the length in the direction, and the signal line driving unit 2 operates so that the adjacent signal line always has the reverse polarity as shown in FIG. 39. Therefore, the adjacent pixel electrode in the X direction always has the reverse polarity as well. The light receiving surface of the photosensor for initial coordinate detection receives light from two or more adjacent pixel electrodes and does not dominantly receive light from one pixel electrode (one pixel The light component from the electrode is 99% or less, preferably 80% or less at the maximum). As shown in FIGS. 41 to 49, the light receiving state of the photosensor for initial coordinate detection changes, and stable initial coordinates are possible. is there.
[0153]
Further, the voltage at which the signal line driving unit 2 drives the liquid crystal layer 24 is set to VDD = 4V to −4V (maintaining the state where the transmittance characteristic is not saturated as can be seen in FIG. 42), and the low contrast below the capability of the liquid crystal layer 24 If the operation is performed in a state, the optical characteristics on the pixel electrode are changed by the push-up voltage regardless of the voltage of the pixel electrode.
[0154]
Next, detection of the initial coordinate in the X direction of the pen tip 15 on the display device 10 will be described.
[0155]
When VPSR = High and VYSTOP = High and the initial coordinates in the Y direction (DY03 = Low, DY02 = Low, DY01 = High, DY00 = High) are detected, the Cs line driving unit 9 is shown in FIG. The output of V is at one end VOFF and then enters a high impedance state, and no voltage is directly supplied to the Cs line, and the potential is maintained by each pixel capacitance (Csig, cs, Cs, etc.) shown in FIG.
[0156]
Further, the output of the exclusive OR circuit 120 in FIG. 1 becomes High, and all of SW1 to SWn are turned off. Further, as apparent from the operation of the X drive unit 4 shown in FIG. 30, the signal line voltage as shown in FIG. 31 is written into S1 to Sn.
[0157]
Here, a change in the pixel electrode voltage VPG3S6 in the above case will be described. FIG. 48 shows a pixel capacitance model when the output of the Cs line driving unit 9 is in a high impedance state and all the TFTs are turned off (however, the influence of Cg and com is considered to be small and will be ignored below). ), The capacity (CG3S6-S6) between G3S6 and S6 in FIG. 48 is calculated as follows.
[0158]
Figure 0003866336
Accordingly, the voltage change ΔVPG3S6 of VPG3S6 caused by the voltage change ΔVS6 of S6 is as follows.
[0159]
ΔVPG3S6 = CG3S6-S6 / (CG3S6-S6 + CLC) * ΔVS6
It becomes. As specific numerical values, Cp, sig = 0.01PF, Cgs = 0.02PF, Csig, g = 0.05PF, Cs = 0.5PF, CLC = 0.4PF, ΔVS6 = 25V, Csig, cs = 0.2PF Then,
CG3S6-S6 = 0.1PF
ΔVPG3S6 = 5.0V
It becomes.
[0160]
From the above results, it is clear that VPG3S6 shown in FIG. 49 (in FIG. 49, S6 indicates the signal line voltage applied to the signal line S6) is obtained (VPG3S6 t = t4 to t4). = T6 voltage change is referred to as a push-up voltage by the X drive unit), the change in the output current of the photodiode described in FIGS. 41 to 45 occurs, and is apparent from the operation of the X-direction initial coordinate detection unit 82 in FIG. 49, the output of the operational amplifier 127 and VXSTOP shown in FIG. 49 are obtained (however, the light receiving components of VPG3S4, VPG3S6, VPG3S5 and the incident light incident on the photodiode at t = t4 are equivalent to those at t = t1. And the light receiving component of the incident light incident on the light receiving surface of the photodiode at t = t6 is equivalent to that at t = t2.) 49, the outputs QA = High, QB = Low, QC = Low, QD = Low shown in FIG. 49 are obtained, and correction DXa3 = Low, DXa2 = Low, DXa1 = Low, DXa0 = Low ( If this correction value can be used in the same way as that of the Y-direction initial coordinate detection unit 83), then DX03 = Low, DX02 = Low, DX01 = Low, and DX00 = High are obtained.
[0161]
However, in this embodiment, since the Cs line is disconnected from the Cs line drive unit as shown in FIG. 36 before the push-up voltage is generated by the X drive unit 4, the push-up voltage is generated in the pixel electrode, and the generated push-up voltage is It is possible to keep it. If the Cs line is not cut off from the Cs line driving unit, the Cs line potential is maintained at the potential supplied from the Cs line driving unit, so that no push-up voltage is generated in the pixel electrode. Even if the sheet resistance of Cs is high and a push-up voltage is generated, the Cs line potential will eventually change to a potential supplied from the Cs line drive unit, so that the generated push-up voltage is then pulled to the Cs line potential and the desired push-up is performed. No voltage is generated.
[0162]
Thus, initial coordinates in the X direction (DX03 = Low, DX02 = Low, DX01 = Low, DX00 = High) are detected.
[0163]
The values of DX3, DX2, DX1, and DX0 indicate the number of signal lines from the left of the array substrate 8 on the pixel electrode (controlled through the TFT) that is controlled by the pen tip 15. In FIGS. 40 to 49 in the embodiment, the array substrate 8 is positioned on the pixel electrode controlled by the fourth to sixth (S4 to S6) signal lines from the left.
[0164]
The values of DX3, DX2, DX1, and DX0 indicate the number of signal lines from the left of the array substrate 8 on the pixel electrode (controlled by the TFT) that is controlled by the binary number. Since S1 to S3, S4 to S6,... Are simultaneously driven as apparent from the operation of the X drive section 4 shown in FIG. 30, (DX3 = Low, DX2 = Low, DX1 = Low, DX0 = Low). Indicates that the pen tip 15 is located on the pixel electrode (controlled through the TFT) controlled by the first to third signal lines from the left of the array substrate 8, and (DX3 = Low, DX2 = Low, DX1 = Low, DX0 = High) is that the pen tip 15 is positioned on the pixel electrode (controlled via TFT) controlled by the fourth to sixth signal lines from the left of the array substrate 8 (DX3 = Low, DX2 = Low, DX1 = High, DX0 = L w) indicates that it is located on the pixel electrode nib 15 is controlled by 7-9 th signal line from the left of the array substrate 8 (controlled via the TFT).
[0165]
In this way, it is possible to detect the initial coordinate in the X direction from the operation of the X drive unit 4 and the detection timing of the X direction initial coordinate detection unit 82 (FIG. 49).
[0166]
The push-up voltage by the X drive unit is lower than the push-up voltage by the Cs line voltage and is about a quarter. The response speed of the liquid crystal layer 24 is higher when the applied voltage is higher. Therefore, when VON is sequentially supplied to the signal line by the X driving unit as in this embodiment, it is desirable to apply VON to the signal line until VXSTOP = High when VON is written to the signal line. Even if the response speed is slow, the liquid crystal layer 24 responds reliably.
[0167]
In the present embodiment, as described above, the coupling capacitance between the Cs line and the pixel electrode and the coupling between the signal line and the pixel electrode in a state where all the switching elements (TFTs of the array substrate 8) of the display device are turned off. By utilizing the push-up voltage generated in the pixel electrode by the ring capacitance and detecting the change in the optical characteristic (luminance change) of the display device caused by the push-up voltage, the coordinates of the pen on the display device are detected. Therefore, since a voltage is applied to the pixel electrode via the TFT and a change in the optical characteristics of the display device caused by the applied voltage is not detected, the pen coordinate detection accuracy is affected by variations in TFT manufacturing and TFT on-resistance (temperature, manufacturing, Highly accurate coordinate detection is possible without being affected by variations due to design rules and the like, and at the same time, faster coordinate detection is possible because it is not affected by the writing time due to the on-resistance of the TFT.
[0168]
An on-resistance (R-on) exists in the TFT, so when applying a voltage to the pixel electrode via the TFT,
τ = R on * C pixel
There is a time constant of, and this is generally called a write time. However, the C pixel is a capacitance existing in the pixel electrode. Since R-on is affected by the size of the TFT, it is naturally affected by manufacturing variations (Reference: Tsuji et al., IDY 93-65 “Study of Simple Design Method for Writing in a-Si TFT-LCD”, Analysis and Design. of Analog Interacted Circuits Second Edition, Paul R. Gray, Robert G. Meyer). Naturally, there is a manufacturing variation in the size of the C pixel, and as a result, there is a large variation in τ.
[0169]
In the present embodiment, a voltage is applied to the liquid crystal layer 24 by a push-up voltage generated by charge recombination between the capacities existing in the display device 10, and the display device 10 of the pen tip 15 is changed from the optical characteristic change of the liquid crystal layer 24 that occurs at that time. By detecting the upper coordinate, the resistance component becomes zero as much as possible when a voltage is applied to the liquid crystal layer 24. Therefore, when writing the voltage to the C pixel, it is not necessary to consider the time constant of the applied voltage, and at high speed. High-precision coordinate detection is possible.
[0170]
In this embodiment, VREF2, VREF3, VREF4, and VREF5 can be arbitrarily set. Therefore, the luminance change on each pixel electrode of the display device 10 caused by the push-up voltage changes from white (transmittance 100%) to black (transmittance 100%). Even if the transmittance does not change from black to white, by setting VREF2, VREF3, VREF4, and VREF5 as appropriate, slight luminance changes on each pixel electrode of the display device 10 can be transmitted from the transmittance of 100%. Coordinates can be sufficiently detected when the rate is 98% or when the transmittance is 0% to 2%. In this embodiment, VREF2, VREF3, VREF4, and VREF5 are set so that the coordinates can be detected when the transmittance changes by about 10%, so that the image quality of the display device 10 does not deteriorate when the initial coordinates are detected.
Further, in this embodiment, the X driving unit 4, the Cs line driving unit 9, and the SW1-n are formed on the same substrate as the array substrate 8 (reference: Inoue et al., EID91-125p59-p64, Oshima et al. IEICE Transactions, C-Vol. J76-C- No. 5 pp27-pp234), a pen input integrated display device is realized with a narrower frame.
[0171]
As described above, the coordinates (Y direction initial coordinates and X direction initial coordinates) on the pen tip 15 when the pen tip 15 contacts the display device 10 are detected.
[0172]
Only the above-described coordinate detection method is sufficient, for example, when detecting the coordinates of the icon displayed on the display device 10, but handwritten character input (such as katakana, hiragana, kanji, romaji, etc.) is used for the pen input device. The demand to detect is also strong. However, unlike the case of detecting the coordinates of the icon for detecting handwritten character input, the pen input device detects the coordinates of the pen tip 15 in one second because the pen tip 15 moves at high speed on the display device 10. The number of times (detection frequency) needs to be increased (higher). In addition, when detecting coordinates of handwritten character input, white is displayed on the pixel electrode of the detected coordinates in most cases (10 in the present embodiment uses additive color mixture, so strictly speaking, pixels Red, blue, or green is displayed on the electrode) (reference: Nikkei BP, flat panel display 1990-1995, Nikkei BP, Nikkei Microdevice June 1992 issue). This can be seen when writing in a notebook with a pencil or considering printed matter, but usually black characters are written in white characters.
[0173]
FIG. 50 shows a light receiving component considering the transmittance characteristics of the black matrix 29 and the light receiving sensitivity characteristics of the photodiodes on the black matrix 29.
[0174]
FIG. 50 (a) shows the transmittance characteristics of the black matrix 29. The horizontal axis represents the wavelength and the vertical axis represents the relative transmittance normalized to 100% of the maximum transmittance. As shown in FIG. 50 (a), the black matrix has a transmittance of 0% for visible light (reference: Nikkei BP, flat panel displays 1990-1995, Nikkei BP, Nikkei Microdevice January 1990. Issue-September 1995 issue). Therefore, as shown in FIG. 50B, when the photodiode is on the black matrix 29, the relative input is zero. In FIG. 50B, the horizontal axis represents the relative input of the radiant flux incident on the light receiving surface of the photodiode normalized with the wavelength as the vertical axis and the maximum input when the light receiving sensitivity characteristic of the photodiode is considered as 100%. Show.
[0175]
In this embodiment, the pen tip 15 moves on the display device 10 by detecting the difference between the transmittance characteristic of the black matrix 29 shown in FIG. 50 and the transmittance characteristic of each colored layer 30 (FIG. 44). The amount of movement is detected. However, it is not sufficient to detect the actual movement amount, and it must be possible to identify whether the movement amount is in the X direction or the Y direction. Strictly speaking, it must be possible to identify whether the movement amount is in the Xup direction, the Xdown direction, the movement in the Yup direction, or the movement amount in the Ydown direction. In this embodiment, a method of detecting the movement amount and the movement direction at the same time has been invented, and will be described below.
[0176]
FIG. 51 is a diagram for showing a basic concept of a system capable of simultaneously detecting the manner in which the photodiode receives light from the display device 10 and the amount and direction of movement of the pen tip 15 in this embodiment. 17 is arranged as shown in FIG. 51 (a), and then the pen tip 15 is moved as shown in FIG. 51 (b). The light from each colored layer is 100% light transmittance of the liquid crystal layer 24. It is assumed that light comes (that is, the display device 10 displays raster white).
[0177]
In FIG. 51, although not shown below (upper) the black matrix, signal lines, Cs lines, and gate lines are arranged.
[0178]
52A to 52F show the light receiving state of each light receiving surface in FIG. 51A, and the horizontal axis shows the distance from the left end to the right direction with the left end of each light receiving surface being 0 μm. The vertical axis represents the relative illuminance per unit length when the maximum illuminance is normalized to 100%, the illuminance of the black matrix 29 is 0%, and the maximum illuminance of each colored layer is equal.
FIG. 52A shows the light receiving state of the A light receiving surface, where the relative illuminance on the black matrix 29 is 0% and the relative illuminance on each colored layer is 100%. 52B and 52C respectively show the light receiving state of the B light receiving surface and the light receiving state of the C light receiving surface, and the light receiving state is the same as that in FIG. 52A.
[0179]
FIG. 52D shows the light receiving state of the D light receiving surface. Since the D light receiving surface is elongated in the Y direction (Cs line direction), the D light receiving surface is colored by the influence of the relative illuminance of the black matrix 29. The influence of the relative illuminance of the layer 30 is strongly influenced, and thus the relative illuminance is around 100%. If the D light receiving surface is further elongated in the Cs line direction, the relative illuminance becomes closer to 100%. 52 (e) and 52 (f) show the light receiving state of the light receiving surface E and the light receiving state of the F light receiving surface, respectively, which are the same as FIG. 52 (d).
[0180]
53A to 53F show the light receiving state of each light receiving surface in FIG. 51B, and the horizontal axis shows the distance from the left end to the right direction with the left end of each light receiving surface being 0 μm. The vertical axis is normalized when the maximum illuminance is 100%, the illuminance of the black matrix 29 is 0% (actually the illuminance received by each light receiving surface from the black matrix 29 is 0%), and the maximum illuminance of each colored layer is equal. The relative illuminance per unit length is shown.
[0181]
As described above, the surface optical characteristic difference inherent to the display device 10 exists on the surface of the display device 10.
[0182]
FIG. 53 (a) shows the light receiving state of the A light receiving surface. As apparent from FIG. 51 (b), the A light receiving surface is elongated in the X direction (signal line direction). Since it is less affected by the relative illuminance of the (black matrix 29 on the signal line), the relative illuminance of the A light receiving surface is close to 0% of the relative illuminance of the black matrix 29.
[0183]
As is clear from FIG. 51, the relative illuminance received by the B light receiving surface and the C light receiving surface is substantially equal to that in FIG.
[0184]
FIG. 53 (D) shows the light receiving state of the D light receiving surface. As apparent from FIG. 51 (b), the D light receiving surface is elongated in the Y direction (Cs line direction), so that the black matrix 29 in the Y direction is shown. Since it is less affected by the relative illuminance of the (black matrix 29 on the Cs line), the relative illuminance of the D light receiving surface is around 0% of the relative illuminance of the black matrix 29. Since the E light-receiving surface and the F light-receiving surface are completely disposed on the colored layer, their relative illuminance is 100%.
[0185]
From the above, the following conclusion can be obtained. A photodiode having an A light-receiving surface, a photodiode having a B light-receiving surface, and a photodiode having a C light-receiving surface have a structure elongated in the X direction and are not easily influenced by the black matrix 29 in the Y direction (Cs line direction). The direction (signal line direction) is easily affected by the black matrix 29. A photodiode having a D light-receiving surface, a photodiode having an E light-receiving surface, and a photodiode having an F light-receiving surface are elongated in the Y direction, and thus are easily affected by the black matrix 29 in the Y direction (Cs line direction). The direction (signal line direction) of the black matrix 29 is hardly affected. Therefore, each photodiode can distinguish between the black matrix 29 in the X direction and the black matrix 29 in the Y direction.
[0186]
In addition, the light receiving surface of the photosensor for detecting the X direction has the length in the X direction of each light receiving surface when the light receiving surfaces are arranged so that the Y direction of each light receiving surface is the longest as shown in FIG. It is desirable to design the length to be not more than twice the length in the X direction (29X), more desirably it is not more than 29X.
[0187]
This is because an optical sensor such as a photodiode or another CCD used in this embodiment generates an output signal in accordance with the light energy incident on the light receiving surface. Accordingly, since an output signal corresponding to the area of the light receiving surface is obtained, if the 29X of the black matrix 29 to be detected is too shorter than the length in the X direction described above, the output of the optical sensor is small when the matrix crosses the matrix. The black matrix 29 cannot be detected. In this embodiment, the length in the X direction described above was designed to be equal to or less than the length of 29X, and normal operation was confirmed.
[0188]
Similarly, for the light receiving surface of the photosensor for detecting the Y direction, the length in the Y direction of each light receiving surface when each light receiving surface is arranged so that the X direction of each light receiving surface is the longest is shown in FIG. It is desirable to design the length to be not more than twice the length of 29 in the Y direction (29Y), more desirably it is not more than 29Y. In this embodiment, the length in the Y direction was designed to be equal to or less than the length of 29Y, and normal operation was confirmed.
[0189]
FIG. 54A shows the structure of the array substrate 8 and the arrangement of the black matrix 29 in the present invention.
[0190]
54 (a), (b), and (c), the dotted line indicates the black matrix 29. What is important here is that the overlapping portion of the Cs line and the pixel electrode is arranged in the vicinity of the gate line as shown in FIGS. 54 (a) and 54 (c). This is because the Cs line generally does not transmit light like the black matrix 29. For example, if the Cs line and the overlapping portion of the pixel electrode are separated from the gate line as shown in FIG. It is impossible to determine whether the output current has changed due to the black matrix 29 or whether the output current has changed due to the Cs line, causing a malfunction of the pen input display device. Further, the light receiving surface of the photodiode cannot be made significantly larger than the black matrix 29. This is because the light receiving surface of the photodiode must be greatly influenced by the black matrix 29. Therefore, in FIG. 54B, the size of the light receiving surface of the photodiode is limited by the width (or gate line width) of the black matrix 29 on the gate line width, that is, limited by the gate line width. Will be. If the width of the black matrix 29 on the gate line is simply increased in order to widen the light receiving surface of the photodiode, the aperture ratio of the display device 10 is reduced and the power consumption is increased. 54A and 54C as in the present invention, the width of the black matrix 29 on the gate lines and Cs lines can be widened, and the aperture ratio of the display device 10 is impaired. (Because the position of the Cs line is simply shifted on the pixel electrode), it is possible to widen the light receiving surface of the photodiode. The output current of the photodiode is proportional to the area of the light receiving surface, and the larger the light receiving area, the more output current can flow. Therefore, the optical signal conversion in FIG. The unit 34 is less likely to malfunction due to the influence of the offset current and bias current of the operational amplifier 44. In addition, since the resistance values of 42 and 45 can be made smaller (according to Ohm's law, a larger voltage is obtained by flowing a larger current even with a smaller resistance value), the optical signal conversion unit 34 is operated at a higher speed. This makes it possible to perform faster pen input.
[0191]
In summary, in this embodiment, as shown in FIGS. 54A and 54C, the Cs line is arranged in the vicinity of the gate line, and there is no opening of the display device 10 between the gate line and the Cs line ( In other words, the black matrix 29 is arranged on the gate line and the Cs line so that there is no opening between a certain Cs line and the gate line closest to the Cs line. The width of the black matrix 29 on the gate line and the Cs line can be increased without impairing the aperture ratio, and whether the output current of the photodiode is changed by the black matrix 29 on the gate line or the output current by the Cs line. Therefore, it is not necessary to determine whether or not the change has occurred, so that a pen input device with higher accuracy and lower power consumption can be provided.
[0192]
Considering the above, a detection method (movement amount detection method) of the movement amount when the pen tip 15 moves as shown in FIGS. 55, 56, and 57 in this embodiment will be described.
[0193]
At t = t8, the pen tip is arranged as shown in FIG. After that, t = t9 and moves to the position as shown in FIG. 56, and then t = t10 and moves to the position as shown in FIG. 57 (however, the movement between them is the shortest distance) And).
[0194]
FIG. 58 shows the relative illuminance received by each light receiving surface when the pen tip moves as described above.
[0195]
58A to 58F, the horizontal axis is the time axis, and the vertical axis is the light transmittance of the display device 100% (see FIG. 42). The light receiving surface of each photodiode is arranged as shown in FIG. The relative illuminance is obtained by normalizing the illuminance received by each light receiving surface as 100% and setting the illuminance when the entire surface of each light receiving surface is on the black matrix 29 to 0%.
[0196]
It can be seen from the arrangement of the photodiodes in FIG. 55 that the maximum illuminance (100%) is incident on all the photodiode light receiving surfaces.
[0197]
Thereafter, the nib 15 moves to the position shown in FIG. 56, so that each photodiode light-receiving surface crosses the black matrix 29 on the gate line G4 (strictly on G4 and C4). At this time, since each of the light receiving surfaces A, B, and C has a long and narrow structure in the X direction, it is greatly affected by the black matrix 29 on the gate line G4, so that t = t8 to t = t9 as shown in FIG. However, each relative illuminance is greatly reduced. On the other hand, since each of the light receiving surfaces D, E, and F has an elongated structure in the Y direction, it is not easily influenced by the black matrix 29 on the gate line G4, and as shown in FIG. 58, t = t8 to t = t9. However, each relative illuminance is slightly decreased.
[0198]
Thereafter, the pen tip 15 moves to the position shown in FIG. 57, so that each photodiode light-receiving surface crosses the black matrix 29 on the signal lines S4, S3, and S2. At this time, since each of the light receiving surfaces D, E, and F has a long and narrow structure in the Y direction, it is greatly affected by the black matrix 29 on the signal lines S4, S3, and S2, so that t = t9 as shown in FIG. Each relative illuminance is greatly reduced at t = t10. On the other hand, since each of the light receiving surfaces A, B, and C has an elongated structure in the X direction, it is not easily influenced by the black matrix 29 on the signal lines S4, S3, and S2, and as shown in FIG. Each relative illuminance slightly decreases at t = t10. It is clear that FIG. 58 is obtained from FIG. 55, FIG. 56, and FIG.
[0199]
The pen tip 15 displays whether the relative illuminance on the A light receiving surface or the C light receiving surface changes after the relative illuminance change on the B light receiving surface in the change in relative illuminance from t = t8 to t = t9. It depends on whether the device 10 is moving in the Yup direction or the Ydown direction. This is because, in FIG. 55, the C light receiving surface is closest to the black matrix 29 on the gate line G4, the B light receiving surface is next, and the A light receiving surface is next, so that the black matrix 29 on the gate line G3. This is because the A light-receiving surface is the closest, the B-light-receiving surface is next, and the C-light-receiving surface is next. Therefore, when the relative illuminance of the A light receiving surface changes after the change of the relative illuminance of the B light receiving surface, the pen tip 15 is moving in the Ydown direction. The case where the relative illuminance on the light receiving surface changes is when the pen tip 15 is moving in the Yup direction. On the other hand, when the relative illuminance changes from t = t9 to t = t10, the pen tip 15 displays which of the D light receiving surface and the F light receiving surface changes after the relative illuminance change of the E light receiving surface. It depends on whether the device 10 is moving in the Xup direction or the Xdown direction. 56, when the pen tip 15 moves in the Xdown direction, the distances from the D, E, and F light receiving surfaces to the closest signal lines in the Xdown direction from the D, E, and F light receiving surfaces are as follows. The light receiving surface is different, and the F light receiving surface is the closest, the E light receiving surface, and then the D light receiving surface. Similarly, when the pen tip 15 moves in the Xup direction, the distances from the D, E, and F light receiving surfaces to the closest signal lines in the Xup direction from the D, E, and F light receiving surfaces are the same for each light receiving surface. The D light receiving surface is the closest, the E light receiving surface next, and then the F light receiving surface. Therefore, in FIG. 56, when the pen tip moves in the Xdown direction, first, the relative illuminance change of the F light receiving surface occurs, then the relative illuminance change of the E light receiving surface occurs, and then the relative illuminance change of the D light receiving surface occurs. is there. Similarly, when the pen tip moves in the Xup direction, first, the relative illuminance change of the D light receiving surface occurs, then the relative illuminance change of the E light receiving surface occurs, and then the relative illuminance change of the F light receiving surface occurs.
[0200]
As described above, in this embodiment, the positional relationship between the light receiving surfaces when the photodiodes are arranged on the display device 10 is as follows.
[0201]
The positional relationship of each light receiving surface of each photodiode that detects the vertical direction (Yup, Ydown direction), and the distance from each light receiving surface and each light receiving surface to the nearest gate line in the Ydown direction differ for each light receiving surface. Similarly, the distance between each light receiving surface and each light receiving surface to each gate line closest in the Yup direction is different for each light receiving surface.
[0202]
Therefore, in this embodiment, it is possible to detect whether the pen tip 15 is moving in the Xup direction or the Xdown direction (Yup direction or Ydown direction) only by an electric signal from each photodiode, and the same photo With the diode configuration and the same circuit configuration (see FIGS. 18 and 19), it is possible to detect whether the pen tip 15 is moving in the Xup direction or the Xdown direction (Yup direction or Ydown direction). So book Example Accordingly, the number of parts of the pen input display device can be reduced, and the lightness, thinness, and size of the pen input display device can be realized.
[0203]
FIGS. 59A to 59F show temporal changes in the outputs (VA to VF) of the optical signal conversion unit 34 when the relative illuminance time changes of the respective light receiving surfaces as shown in FIG. 58 occur. In FIGS. 59A to 59F, the horizontal axis is the time axis, and the vertical axis represents the relative output when the maximum value of the output is 100% and the minimum value is 0%. When VREF1 is set as shown in FIGS. 59A to 59F, VA0, VB0, VC0, and VD0 shown in FIGS. 60A to 60F are apparent from the operation of the level shift unit 49. , VE0, VF0 are obtained. In FIGS. 60A to 60F, the horizontal axis is the time axis, and the vertical axis indicates the voltage.
[0204]
FIG. 61 shows signals (VYdown, VYup) obtained from the operation result of the serial signal generator 50 (FIG. 18) when VA0, VB0, VC0, VD0, VE0, VF0 as shown in FIG. 60 are obtained. . As is apparent from FIG. 18, the result of FIG. 61 is obtained.
[0205]
When signals (VYdown, VYup) as shown in FIG. 61 are obtained in FIG. 62, signals (DY13, DY12, DY11, DY10) obtained from parallel signal generator 51 in FIG. 22 and Y coordinate detection in FIG. Signals (DY3, DY2, DY1, DY0) obtained from the unit 39 are shown.
[0206]
FIG. 63 shows signals (VXdown, VXup, VXdown3, VXdown3, VXdown3, VA0, VB0, VC0, VD0, VE0, VF0 obtained from the operation result of the serial signal generator (see FIG. 19). VXup3). As is clear from FIG. 19, the result of FIG. 63 is obtained.
[0207]
When signals (VXdown, VXup, VXdown3, VXup3) as shown in FIG. 63 are obtained in FIG. 64, signals (DX13, DX12, DX11, DX10) and X coordinates obtained from the parallel signal generator (FIG. 23) are obtained. Signals (DX3, DX2, DX1, DX0) obtained from the detector 38 are shown.
[0208]
In FIGS. 58 and 59 of this embodiment, the time from when the relative illuminance change of each light receiving surface occurs until the relative output of VA to VF changes is the response of the optical sensor of the pen input device 1. Depending on the speed, it is about 10 μsec when a photodiode is used as an optical sensor, and about 30 μsec when a phototransistor is used. Accordingly, in FIG. 5, the Y direction length of 29 and the X direction length of 29 are 30 μm, the Y direction length of each colored layer in one pixel is 270 μm, the X direction length is 70 μm, and the pen tip 15 Is moved on the display device 10 in the X direction by Z pixels (for Z black matrices on the signal line) in one second. The distance moved at this time is
100μm * Z
The time t (30) required to move 30 μm is
t (30) = 0.3 / Z [seconds]
It becomes. Accordingly, in the present embodiment, the amount of movement Z that can be detected in one second expressed by the number of pixels depends on whether or not the optical sensor can detect the black matrix 29, and therefore Z is as follows.
[0209]
t (30)> 30 μm
Z <10000
(However, phototransistors were used)
Therefore, as long as the user uses the pen input integrated display device according to the present invention for a normal purpose, there is no problem that the time resolution is insufficient in the detection of the movement amount. A pen input integrated display device having high time resolution can be provided.
[0210]
As described above, the coordinates of the pen tip 15 when the pen tip 15 is arranged and moved on the display device 10 are detected as follows.
[0211]
t = t1 · The nib is arranged as shown in FIG.
[0212]
t = t2 · Detects the initial coordinate in the Y direction.
[0213]
DY03 = Low, DY02 = Low, DY01 = High, DY00 = High
Since there is no movement amount, the initial coordinate is the Y coordinate.
[0214]
t = t6 · Detects the initial coordinate in the X direction.
[0215]
DX03 = Low, DX02 = Low, DX01 = Low, DX00 = High
Since there is no movement amount, the initial coordinate is the X coordinate.
[0216]
Figure 0003866336
Is detected, and the control unit 7 receives DX and DY and outputs VD corresponding thereto. The detected coordinates are output (displayed in black) on the display device.
[0217]
t = t9 · The amount of movement in the Y direction is detected.
[0218]
Y coordinate is DY3 = Low, DY2 = High, DY1 = Low, DY0 = Low
No movement in the X direction.
[0219]
Figure 0003866336
Is detected, and the control unit 7 receives DX and DY and outputs VD corresponding thereto. The detected coordinates are output (displayed in black) on the display device.
[0220]
t = t10 · The amount of movement in the X direction is detected.
[0221]
X coordinate is DX3 = Low, DX2 = Low, DX1 = Low, DX0 = Low
No movement in the Y direction.
[0222]
Figure 0003866336
Is detected, and the control unit 7 receives DX and DY and outputs VD corresponding thereto. The detected coordinates are output (displayed in black) on the display device.
[0223]
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the amount of movement of the pen tip 15 on the display device 10 is determined by the transmittance difference between the colored layer 30 and the black matrix 29 of the display device 10. The initial coordinates when the pen tip 15 is arranged on the display device 10 are detected by the generated optical characteristic difference on the surface of the display device, and are generated in the pixel electrodes of the display device 10 when the signal lines and Cs lines of the array substrate 8 are driven. Since it can be detected by the push-up voltage, there is no need to provide a coordinate detection tablet for the pen tip 15 behind or in front of the display device 10 and the amount of movement of the pen tip 15 can be instantaneously detected by the optical sensor of the pen input device 1. The initial coordinates can be detected without being affected by TFT manufacturing variations.
[0224]
As a result, a small and lightweight pen input integrated display device having a pen input function with high accuracy and high time resolution can be realized.
[0225]
The pen input integrated display device of the present invention is not limited to the above-described embodiments. Pen input device 1, signal line drive unit 2, Cs line drive unit 9, X drive unit 4, array substrate 8, gate line drive unit 3, display device 10, photodiode array 17, optical signal conversion unit 34, initial coordinate detection The configurations of the unit 36, the movement amount detection unit 37, the X coordinate detection unit 38, the Y coordinate detection unit 39, and the pen system reset unit 35 can be changed as appropriate.
[0226]
The moving amount detection means in this embodiment is a display device having a display portion and a light shielding portion other than the TFT-LCD used as the display device 10 in this embodiment, for example, a simple matrix LCD, a plasma display, a CRT (reference Literature: Nikkei BP, flat panel display 1990-1995, Nikkei BP, Nikkei Microdevice April 1991-July 1994), and the specific configuration can be changed as appropriate.
[0227]
Next, a second embodiment according to the present invention will be described below.
[0228]
When the tilt of the pen and the display device in the pen input device changes greatly, the light energy incident on the light receiving surface changes, which may cause the optical sensor to malfunction. The second embodiment solves this problem. Even if the tilt of the pen and the display device changes, the tilt of the light receiving surface of the pen photosensor with respect to the display device is kept below a predetermined angle.
[0229]
FIG. 65 shows the structure of a pen input device according to the second embodiment of the present invention. The same components as those in the first embodiment 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
65, the inclination control unit 156 has an inclination between the light receiving surface of the photodiode array 17 and the display surface of the display device 10 of 0 ° to 45 ° (preferably 0 ° to 20 °, more preferably 0 ° or parallel). As a result, even if the inclination of the pen input device 1 (the inclination angle of the pen) changes as shown in FIGS. 65 (a) to 65 (c), the photodiode array 17 The inclination of the light receiving surface and the display surface of the display device 10 is controlled to 0 degree to 45 degrees.
[0230]
In display devices such as CRTs, plasma displays, and liquid crystal displays, the brightness of the display device surface varies depending on the angle at which the surface of the display device is viewed. This characteristic is more prominent in liquid crystal displays. In general, the viewing angle (reference: Nikkei BP, flat panel displays 1990-1995, Nikkei BP, Nikkei Microdevices, January 1990-September 1995) No.). Accordingly, when coordinate detection is performed optically, the outputs VA to VF of the optical signal conversion unit 34 are changed depending on the tilt angle of the pen input device 1 (the tilt angle of the pen) due to this viewing angle. A malfunction occurred. However, according to the second embodiment, malfunction due to the tilt angle of the pen can be suppressed, and stable coordinate detection is possible.
[0231]
66 and 68 show the structure of the pen input device according to the second embodiment of the present invention in more detail. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. To do.
[0232]
66 to 68, reference numeral 157 denotes a support base for supporting the spring 158, and reference numeral 159 denotes a slider which is moved by a force applied to 16. Even if the tilt of the pen changes as shown in FIGS. 66 to 68 (in this embodiment, the case of 15 degrees to 95 degrees is shown), the slider 159 moves by the restoring force of the spring 158, and the optical sensor Since the light receiving surface of a certain photodiode array 17 is controlled so as to be always parallel to the display surface of the display device 10, the incident angle of light incident on the light receiving surface of the photodiode array 17 from the backlight 11 is the tilt angle of the pen. Since the irradiance incident on the light receiving surface of the photodiode array 17 does not change due to the change in the tilt angle of the pen, more stable coordinate detection is realized. Further, as in the present embodiment, the tilt control unit 156 is configured by the support base 157, the spring 158, and the slider 159, so that the miniaturization and weight reduction required for the pen input device 1 are realized at the same time. The total is 1 gram or less). In addition, the configuration of the tilt control unit 156 can be changed as appropriate, and a sensor that detects an angle change such as rubber or a gyroscope sensor may be used, and the method of using the sensor can also be changed as appropriate.
[0233]
As described above, according to the second embodiment of the present invention, even if the tilt of the pen input device 1 changes, the tilt controller 156 tilts the light receiving surface of the photodiode array 17 and the display surface of the display device 10. Since the output VA to VF of the optical signal conversion unit 34 due to the change in the tilt angle of the pen input device 1 can be suppressed, a stable coordinate detection without malfunction is performed. I can do it.
[0234]
As a result, in the pen input integrated display device including the small and light pen input device 1, stable coordinate detection is possible.
[0235]
Next, a third embodiment according to the present invention will be described.
[0236]
In pen input display devices using high-definition display devices, hand-shake that occurs when a user performs pen input and erroneous input that occurs because the input surface for pen input is slippery, unlike paper, are more noticeable. The high-definition display that the device has cannot be made, and erroneous input due to camera shake becomes a noticeable handwriting. The present embodiment is for solving this problem, and is a pen input device having a display device having a relatively small pixel size, and sufficiently corrects the pen trajectory even when the handwriting input speed is relatively fast. be able to.
[0237]
FIG. 69 shows the overall configuration of this embodiment. Reference numeral 1100 denotes a pen input display device which has basically the same configuration as the pen input display device 1000 (see FIG. 1) described in the first embodiment, but each of the X and Y coordinates in the first embodiment is 4 bits. In contrast, the X and Y coordinates of the pen input display device used in the third embodiment are each composed of more practical 6 bits. 69 and 69 are the X and Y coordinate outputs of the pen input display device 1100.
[0238]
In FIG. 69, 170 is a pen speed detector for detecting the speed (movement speed) of the detection pen moving on the display device in the pen input state from the DX and DY signals, and DS is the movement of the detection pen. Indicates speed. Reference numeral 171 denotes a vector change detection unit that detects a movement vector moved from the DX and DY on the display device in the pen input state and a vector change that is a change thereof. DXV indicates a movement vector in the X direction. DYV indicates a movement vector in the Y direction, and DXV and DYV indicate movement vectors (also simply referred to as vectors) of the detection pen on the display device 10 ′. VV represents a vector change of the movement vector. Reference numeral 172 corrects a signal from the pen input display device 1100 based on signals from 170 and 171, and corrects signals DYC and DXC indicating the position of the detection pen on the display device to the pen input display device 1100. It is the correction | amendment part which outputs to. These details will also be described later.
[0239]
FIG. 70 shows digital signals DX (DX6, DX5, DX4, DX3, DX2, DX1) and DY (DY6, DY5, DY4, DY3, DY2, DY1) indicating the respective pixels of the display device 10 ′. In FIG. 70, when the coordinates of the upper left pixel are denoted by DX and DY, DX = (0,0,0,0,0,1), DY = (0,0,0,0,0,1) ) When the upper right coordinates are represented by DX and DY, DX = (1, 1, 1, 1, 1, 1) and DY = (0, 0, 0, 0, 0, 1). When the coordinates of the lower left pixel are represented by DX and DY, DX = (0, 0, 0, 0, 0, 1) and DY = (1, 1, 1, 1, 1, 1). When the lower right coordinates are represented by DX and DY, DX = (1,1,1,1,1,1) and DY = (1,1,1,1,1,1). Digital signals correspond to other pixels in the same order. In this embodiment, since the display device has 64 pixels in both the X and Y directions, both DX and DY are expressed by 6-bit digital signals shown in FIG. 70 as described above. The pixel size of the display device 10 ′ is 300 μm × 300 μm.
[0240]
In the pen input display device having the above configuration, “1” is input by handwriting as shown in FIG. As shown in FIG. 72, in general, the surface of the pen input display device (including this embodiment) is smooth and slippery unlike paper and the like, and the surface of the pen input display device has to be handwritten many times. Therefore, the pen tip of the detection pen used in the pen input display device cannot be pointed and is more slippery. Therefore, when inputting characters by handwriting, the font may be awkward. This becomes a larger problem as the display device 10 ′ becomes higher definition. Therefore, when there is no pen speed detection unit 170, vector change detection unit 171 and correction unit 172 in the present embodiment, even if “1” is intended to be input, “1” as shown in FIG. 73 is input and displayed. In FIG. 73, each grid indicates one pixel of the display device 10 ′, and a pixel displayed in black indicates a pixel selected by pen input, and the relationship between each pixel and the digital signals DX and DY. Is as shown in FIG. Here, the coordinate digital signals DX and DY obtained as shown in FIG. 73 are analyzed.
[0241]
FIG. 74 shows the relationship between the digital signals DX and DY obtained in the case of FIG. 73 and time. The detection time in FIG. 74 indicates how much time has passed since the start of handwriting input, 0 msec indicates the time when handwriting input is started, and the detection time interval (1 msec) shown in FIG. The time resolution in the coordinate detection of the input display device (reference document: Journal of Information Processing Society of Japan, Mar. 19204 Vol. 29 No. 3 “Online Character Graphic Editing Method Using Handwritten Editing Symbols” Kojima et al.) Is shown. In this embodiment, although the detection time interval depends on the definition of the display device, it is desirable that the detection time interval is short enough to detect pen coordinate data (DX, DY) of one pixel twice or more, and more desirably three times above. Yes, and the value can be changed as appropriate.
[0242]
FIG. 75 shows the configuration of the pen speed detection unit 170. 75, 173, 174, 176, 177, 186 and 187 are D-type flip-flops, and TC74HC574 is used in this embodiment. 181 is a buffer, 182, 183 and 192 are inverters, 175 and 178 are comparators, and TC74HC6204 is used in this embodiment. 179 is a non-OR circuit, 180 is an AND circuit, 184 and 185 are counters, and TC74HC161 is used in this embodiment. Reference numeral 188 denotes a two-channel multiplexer, which may be composed of, for example, TC74HC4053. Reference numeral 189 denotes a multiplication circuit, which may have a circuit configuration shown in, for example, a reference document “Digital System Design CQ Publishing Co., Ltd., Ukai / Honda”. Note that the inverter 192 operates faster than the buffer 181.
[0243]
FIG. 76 shows the configuration of the vector change detection unit 171. Reference numeral 190 denotes a vector detection unit, which detects a movement vector of the detection pen from the digital data DX and DY, and outputs analog signals DXV and DYV. Reference numeral 191 denotes a vector comparison unit that changes the movement vector from DXV and DYV. Is a circuit that outputs a digital signal VV indicating that the movement vector has changed when VV is High, and there is no change in the movement vector when Low.
[0244]
FIG. 77 shows the definition of the movement vector direction of the detection pen corresponding to FIG. The arrows V1 to V8 in FIG. 77 are arrows for indicating that the pen tip of the detection pen is moving in the direction of the movement vector in the direction of the arrow on FIG. 73, and V9 is that the pen tip is stationary. Is shown.
[0245]
FIG. 78 is a diagram showing the relationship between the DXV and DYV signals and the movement vector direction. The DXV and DYV signals are three-level (High, Middle, Low) analog signals.
[0246]
The result shown in FIG. 79 is obtained from the operation of the pen speed detector 170. DX and DY delayed by a half clock are obtained by the D flip-flops 173 and 176, and DX and DY delayed by one clock are obtained by the D flip-flops 174 and 177. The outputs of the D flip-flops 173 and 174 and the outputs of the D flip-flops 176 and 177 are compared by the comparators 175 and 178. If the values are the same, Low is output if the values are different. In 184 and 185, the number of clocks of CLK1 in a period from when High is output from the comparators 175 and 178 to when the next High is output is counted and output. 186 and 187 fetch and hold the outputs of 184 and 185 using the output of 192 as a clock. FIG. 79 shows the outputs of 186 and 187 in decimal numbers. Actually obtained values are indicated by binary numbers of a plurality of bits, but since the explanation is complicated, the following will be shown using decimal numbers. Outputs 186 and 187 indicate the moving speed of the detection pen. If the output of 186 and 187 is 4, it means that 4 clocks are required for the pen tip to cross one pixel. Therefore, in this embodiment, since the size of one pixel is 300 μm * 300 μm, the moving speed is 300 μm / (4T). T represents the period of CLK1. Since one pixel has a rectangular or square shape, the distance across one pixel differs depending on how the pen tip crosses one pixel. In this embodiment, since one pixel is a square, the distance across one pixel is 300 μm when moving in the directions of V1, V3, V5, and V7, and one pixel is crossed when moving in the directions of V2, V4, V6, and V8. The distance is 140 μm. Therefore, in this embodiment, the value weighted to 186 and 187 is changed depending on in which direction the pen tip has moved using 188. 188 selects ch1 when the output of 180 is high, and selects ch2 when the output of 180 is low. When 180 becomes High, the pen tip moves in the directions of V2, V4, V6 and V8. In this embodiment, the ratio of ch1 and ch2 is set to be close to ch1 / ch2 = 1.4 (shown in decimal number), and the outputs of 186 and 187 are weighted by 189 multiplier circuits. . The output of the multiplication circuit 189 is shown in FIG. In this embodiment, since the moving speed is detected by the above method, it is possible to detect an accurate moving speed that does not depend on the pixel shape, and it is possible to detect the moving speed with a simple circuit configuration as shown in FIG. Even when the size of one pixel is a rectangle such as 100 μm * 33 μm, the moving speed of the detection pen obtained in accordance with the shape of one pixel is weighted in the same manner as in the present embodiment, so that the moving speed is more accurate. Is obtained.
[0247]
79 is obtained from the vector detection unit 190, and VV shown in FIG. 79 is obtained by the vector comparison unit 191. The vector comparison unit 191 receives DXV and DYV and outputs High when the vector changes. When the vector is V9, it is assumed that the pen tip has moved with the previous vector, and the vector comparison unit 191 performs processing to replace V9 with the previous vector. When the vector comparison unit 191 treats the vector detected at the detection time of 4 msec as V5, treats the vector detected at the detection time of 5 msec to 9 msec as V5, treats the vector detected at the detection time of 10 msec as V3, and a vector change occurs As shown in FIG. 79, High is output. Others are the same.
[0248]
FIG. 80 shows the configuration of the correction unit 172. The phase adjustment unit 192 in FIG. 80 adjusts the phase as shown in FIG. 81 in order to facilitate processing of the input signal. Ds ′, VV ′, DXV ′, DYV ′, DX ′, and DY ′ are Ds, VV, DXV, DYV, DX, and DY phase-adjusted by 192. The conversion unit 193 selects the data to be deleted from DX ′ and DY ′ as follows.
[0249]
(1) If the movement vector changes despite the increase in the movement speed obtained from Ds ′ (VV ′ = High), the DX ′ and DY ′ data are invalidated and deleted. ”
(2) The movement speed and movement vector (DXV ′, DYV ′) immediately before deletion are compared with the movement speed and movement vector after deletion, and the movement vector after deletion and the movement vector immediately before deletion are the same or deleted. If the subsequent movement speed is slower than the movement speed immediately before the deletion, the DX ′ and DY ′ data are determined to be valid and are captured.
[0250]
FIG. 81 shows DXC ′ and DYC ′ obtained as described above.
[0251]
Therefore, DX = (0, 1, 0, 0, 0, 0) and DY = (0, 0, 1, 1, 0, 1) that are erroneous input data are deleted, but DX that is normal input data is deleted. = (0,0,1,1,1,1) and DY = (0,0,1,1,1,0) have also been deleted. In this embodiment, in order to solve such a problem, the interpolation unit 194 eliminates this display problem, so that DX = (0,0,1,1,1,1), DY = (0,0,1). , 1, 0, 1) and DX = (0, 0, 1, 1, 1, 1), DY = (0, 0, 1, 1, 1, 1) are created and data is created. Overlay on DXC 'and DYC'. FIG. 81 shows DXC and DYC data obtained as a result. Dxm and DYm are linearly interpolated data, and Dxm = (0,0,1,1,1,1) and DYm = (0,0,1,1,1,0). Note that the linear interpolation is to correct a defect by connecting the missing part of the line with the minimum distance as shown in FIG.
[0252]
Next, a fourth embodiment according to the present invention will be described. FIG. 83 shows the configuration of the pen input display device according to the fourth embodiment. The difference between the present embodiment and the third embodiment described above is that a resistive film tablet is used for the pen input display device.
[0253]
83, reference numeral 195 denotes a resistance film, reference numeral 196 denotes a resistance film, reference numeral 197 denotes a conductive layer arranged on the resistance film 195, reference numeral 198 denotes a conductive layer arranged on the resistance film 195, 5 indicates a conductive layer disposed on the resistance film 196, 200 indicates a conductive layer disposed on the resistance film 196, SW1 and SW2 are switches controlled by CNT1, and SW3 and SW4 are controlled by CNT2. The switch 204 is a voltage source for supplying a constant voltage to each resistance film and supplying 5V. The impedance conversion unit 202 converts the X-direction signal and the Y-direction signal indicating the position of the detection pen 205 on the display device 10 ′ from the conductive layer 198 and the conductive layer 6 with analog electrical signals, and then converts the impedance to X ′, Reference numeral 203 denotes an impedance converter that outputs as Y '. Reference numeral 203 denotes an A / D converter that converts analog signals X' and Y 'into digital signals DX and DY, respectively. The operation of each component described above will be described in detail later, but there are “Toshiba Review 1994 Vol. The definition of the movement vector direction (X direction, Y direction) is as shown in FIG.
[0254]
FIG. 84 shows the principle of pen coordinate detection in this embodiment. FIG. 84A shows a cross-sectional view of a tablet formed of resistance films 195 and 196, and reference numeral 13 denotes a spacer for keeping the resistance films 195 and 196 in non-contact in a non-pen input state. As described above, the resistance films 195 and 196 are kept in a non-contact state unless the detection pen applies pressure to the resistance films 195 and 196.
[0255]
FIG. 84 (b) is a diagram showing a state in which the detection pen 205 applies pressure to the resistance films 195 and 196. When the pressure from the detection pen 205 is applied in this way, the resistance films 195 and 196 are in contact with each other. become. Further, a portion where pressure is applied from the detection pen 205 is a counter electrode 207, and as shown in FIG. 84C, a resistance between the conductive layer 197 and the counter electrode 207 is R15, and the conductive layer 198 and the counter electrode are The resistance between 207 is R16, the resistance between the conductive layer 199 and the counter electrode 207 is R19, and the resistance between 200 and the detection pen 205 is R20. Note that a certain sheet resistance exists in the resistance films of 195 and 196, but in the conductive layers 197, 198, 199, and 200, this sheet resistance is negligibly small.
[0256]
FIG. 85 shows the configuration of the impedance converter 202. 85 and 209 in FIG. 85 are operational amplifiers, which are used as so-called voltage followers, and impedance-convert input signals and output them. FIG. 86 shows the control of SW1 to SW4. When CNT1 is at high level, SW1 and SW2 are in the on state, and when CNT1 is at low level, SW1 and SW2 are in the off state. When CNT2 is at high level, SW3 and SW4 are in the on state, and when CNT2 is at low level, SW3 and SW4 are in the off state. Both CNT1 and CNT2 are always driven in opposite phases.
[0257]
FIG. 87 shows an equivalent circuit in the case of FIG. FIG. 87 (a) shows an equivalent circuit when CNT1 = High and CNT2 = Low, and no voltage is applied to the conductive layers 199 and 6, and 0V is applied to the conductive layer 197 and 5V is applied to 198. . Accordingly, since the voltage of 6 is 5 * R15 / (R15 + R16), X ′ = 5 * R15 / (R15 + R16). That is, the position 14 in the X direction of the detection pen is detected as the analog signal X ′.
[0258]
FIG. 87B shows an equivalent circuit in the case of CNT1 = Low and CNT2 = High, where no voltage is applied to the conductive layers 197 and 198, and 0V is applied to the conductive layer 199 and 5V is applied to 6. . Therefore, since the voltage of 200 is 5V, X ′ = 5V. In this embodiment, when X ′ = 5 V, this is not handled as an analog signal indicating the position of the pen in the X direction.
[0259]
FIG. 88 shows an equivalent circuit in the case of FIG. FIG. 88A shows an equivalent circuit in the case of CNT1 = High and CNT2 = Low, in which no voltage is applied to the conductive layers 199 and 6 and 0V is applied to the conductive layer 197 and 5V is applied to 198. . Therefore, the voltage of 198 is 5V, and Y ′ = 5V. In this embodiment, when Y ′ = 5V, this is not handled as an analog signal indicating the position of the pen in the Y direction.
[0260]
FIG. 88 (b) shows an equivalent circuit when CNT1 = Low and CNT2 = High, and no voltage is applied to the conductive layers 197 and 198, and 0V is applied to the conductive layer 199 and 5V is applied to 200. . Accordingly, since the voltage of 6 becomes 5V, Y ′ = 5 * R19 / (R19 + R20). That is, the position 14 in the Y direction of the detection pen is detected as the analog signal Y ′.
[0261]
As described above, in this embodiment, the position of the pen is detected as shown below,
When CNT1 = High and CNT2 = Low
The position of the detection pen in the X direction is detected as an analog signal.
When CNT196 = High and CNT1 = Low
The position of the detection pen in the Y direction is detected as an analog signal.
The obtained analog signal is converted into digital signals DX and DY by the A / D converter 203. The digital signals DX and DY are output to the pen speed detection unit 170, vector change detection unit 171 and correction unit 172 shown in FIG. 83, and are corrected as described above.
[0262]
As above Example Thus, a pen input display device capable of realizing pen input according to the intention of the user who has deleted data that is erroneously input due to ergonomics has been realized. Further, in this embodiment, since the moving speed and the moving vector are detected for each pixel movement, a more excellent handwriting input of handwriting becomes possible. Book Example Is a pen input display device using an electromagnetic induction tablet other than a pen input display device using a resistance thin film tablet (reference: Toshiba review 1994 Vol. 49 No. 12, Nikkei BP flat panel display '93, Nikkei BP MATERIALS & TECHNOLOGY 93 .8) and pen input display devices using electrostatic coupling tablets (reference: Toshiba review 1994 Vol. 49 No. 12, Nikkei BP flat panel display '93, Nikkei BP MATERIALS & TECHNOLOGY 93.8) and other pen input displays (Japanese Patent Laid-Open Nos. 4-283819, 4-299727, 5-127823, 5-515480, 4-343387, 5-189126, 5-197487) , JP-A-62-292021, JP-A-63-293623), and other pen input display devices.
[0263]
Next, a fifth embodiment according to the present invention will be described.
[0264]
In the conventional pen input display device using the active matrix display device described above, signal lines and gate lines for supplying voltage to the active elements have been increasingly finely processed in recent years in order to improve the aperture ratio and increase the definition. (Reference document: Nikkei Business Publications, Inc., flat panel display 1991-1995) For this reason, the coupling capacity between the detection pen and each electrode line is reduced, resulting in a lower detection voltage, making accurate coordinate detection difficult. This is shown in FIG.
[0265]
In FIG. 100, 400 is an array substrate, 401 is a silicon oxide film disposed on 400, 402 is a Cs line disposed on 400, 403 is a gate line disposed on 400, 404 is a signal line disposed on 400, 405 is a pixel electrode disposed on 400, 409 is a counter substrate disposed opposite to 400, and 406 is between 400 and the counter substrate 409. An injected liquid crystal layer, 408 is a colored layer disposed on the counter substrate 409, and 407 is a counter electrode disposed on the counter substrate 409. 400 to 409 constitute an active matrix display device. 310 indicates the pen tip of the detection pen, Cpg indicates the coupling capacitance between the pen tip 310 and the gate line 403, Cps indicates the coupling capacitance between the pen tip 310 and the signal line 404, and CL indicates between the pen tip 310 and GND (here. Represents the AC ground), and Vp represents the detection voltage generated at the pen tip. If the voltage change occurring on the gate line is ΔVg, the voltage change occurring on the signal line is ΔVs, and the initial condition of the detection voltage Vp is 0 V, the detection voltage Vp generated at the pen tip is approximately expressed by the following equation.
[0266]
Vp = ΔVg * Cpg / (Cpg + CL)
Vp = ΔVs * Cps / (Cps + CL)
Therefore, the detection voltage Vp can be increased by increasing Cpg (Cps) or ΔVg (ΔVs). However, ΔVg (ΔVs) cannot be extremely increased due to the breakdown voltage of the active element, and the oxidation voltage is reduced. If the thickness of the film 401 is about 3500 angstroms, about 45 V is desirable for reliability. The value of Cpg (Cps) is the simplest expression and is expressed as follows.
[0267]
Cpg ∝ ε0 * εg * Ghaba / dg
Cpg ∝ ε0 * εg * Shaba / dg
ε0: Dielectric constant of vacuum
εg: non-dielectric constant of glass
Ghaba: Gate line width
Shaba: signal line width
dg: Glass thickness
In order to increase Cpg (Cps), εg, Ghaba, Shaba must be increased or dg must be decreased. However, since εg is a fundamental property of the material, it cannot be expected to be extremely large, and if dg is too small, glass breakage or deflection occurs, and active elements cannot be uniformly formed on the array substrate 400. , Dg is preferably 0.3 mm to 1.1 mm. The only elements that can be changed are Ghaba and Shaba, which have been increasingly miniaturized in recent years as described above. Note that FIG. 101 shows the gate line width and the signal line width described here. FIG. 101 is a diagram of an active matrix display device viewed from directly above.
[0268]
Therefore, the coupling capacity between the signal line or gate line and the detection pen is reduced, the detection voltage detected by the detection pen is reduced, and the active matrix display device with high definition and high aperture ratio is accurate due to noise from the backlight and others. Coordinate detection is impossible.
[0269]
The present embodiment has been made in consideration of the above-described circumstances, and an object thereof is to enable a good-looking handwriting input with a more accurate and fine handwriting and a quick handwriting input of the pen input display device. Hereinafter, a fifth embodiment of the present invention will be described in detail.
[0270]
FIG. 89 shows a pen input display device according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 89, reference numeral 301 denotes a TFT substrate (array substrate) on which signal lines (S1 to S5), gate lines (G1 to G4), Cs lines (Cs1 to Cs4), TFTs, and pixel electrodes are arranged. Yes. Reference numeral 302 denotes a counter substrate, 303 denotes a counter electrode arranged on the counter substrate, 304 denotes a signal line driving circuit for applying a signal line voltage to a signal line arranged on the TFT substrate 301, and 305 denotes a TFT substrate 301. 2 is a gate line driving circuit for applying a gate line voltage to the gate lines arranged in the gate line. Reference numerals 301 to 309 constitute a TFT-LCD (hereinafter simply referred to as a display device). References to these include, for example, “Nikkei BP flat panel display 1991-1995”. Reference numeral 306 denotes an X drive circuit, and reference numeral 307 denotes a Cs drive circuit for supplying a Cs line drive voltage to the Cs line. Specific examples of these configurations will be described later. A power supply unit 308 supplies a necessary voltage to each circuit unit. A control unit 3099 supplies various signals for operating each driving unit to each driving unit. The signal line driving circuit 304 has ES and the gate line driving circuit 305 has EG and X driving circuit. EX is supplied to Cs drive circuit 307, CNTS is supplied to switches sws1 to sws5, CNTg is supplied to switches swg1 to swg4, CNTx is supplied to switches swx1 to swx5, and CNTC is supplied to switches swc1 to swc4. is doing. The control unit 309 supplies a signal necessary for the detection pen 310 and a signal necessary for detecting the coordinates of the detection pen from 310. EG, ES, EC, and EX indicate data bus lines, and various control signals are included therein. Further, the switches sws1 to sws5 are switches that are on / off controlled by CNTS, the switches swg1 to swg4 are switches that are on / off controlled by CNTg, the switches swx1 to swx5 are switches that are on / off controlled by CNTx, and the switches swc1 to swc1 swc4 is a switch that is ON / OFF controlled by CNTC. swcom is a switch that is ON / OFF controlled by CNTcom, and the voltage Vcom is supplied to 2 through this switch. Reference numeral 5000 denotes a counter electrode driving circuit that supplies a counter electrode voltage Vcom to the counter electrode 303. Reference numeral 310 denotes a detection voltage (corresponding to Vp in FIG. 100) supplied from the TFT substrate 301. In the pen input display device according to the fifth embodiment, the position of 310 on the TFT substrate 301 is determined according to the detection voltage generation timing. (Pen coordinates) is detected. The X direction and the Y direction are defined as shown in FIG.
[0271]
FIG. 90 shows the operation timing of each switch. In the pen input display device according to the present embodiment, pen coordinate detection is performed during a vertical blanking period in one frame. During the display period, swg1 to swg4, sws1 to sws5, swc1 to swc4, swcom are on, and swx1 to swx5 are off. Therefore, a signal line voltage corresponding to the image signal is supplied from the signal line driver circuit 304 to the pixel electrode through the TFT. At this time, the voltage from the X drive circuit 306 does not affect the image of the display device because swx1 to swx5 are off. When the display device moves from the display period to the vertical blanking period and enters the X-direction pen coordinate detection period, swx1 to swx5 are turned off to on, and the other switches are turned off. In the Y-direction pen coordinate detection period, swc1 to swc4 are turned on and the others are turned off.
[0272]
FIG. 91 shows the configuration of the X drive circuit 6. The X drive circuit 306 is composed of D flip-flops 311 to 315, and 311 to 15 constitute a so-called shift register with CLK as a clock and STHX as a start pulse.
[0273]
FIG. 92 shows the configuration of the Cs drive circuit 307. The Cs driving circuit 307 is composed of D flip-flops 316 to 319, and 316 to 319 constitute a so-called shift register having CLK as a clock and STHCS as a start pulse.
[0274]
FIG. 93 shows operations of the X drive circuit 306 and the Cs drive circuit 307. STHX becomes VH for 1 CLK when the display device enters the X-direction pen coordinate detection period, and VX1 to VX5 sequentially become VH. However, VX1 to VX5 indicate applied voltages X1 to X5, respectively, and VC1 to VC4 indicate applied voltages C1 to C4, respectively. STHCS becomes VH for 1 CLK when the display device enters the Y-direction pen coordinate detection period, and VC1 to VC5 sequentially become VH. Further, VXT and VYT are internal signals of the control unit 9, and VXT is at a high level during the X-direction pen coordinate detection period and is at a low level during the other periods. VYT is at a high level during the Y-direction pen coordinate detection period and is at a low level during the other periods. The above operation is apparent from FIGS. 91 and 92.
[0275]
FIG. 94A shows a diagram in which the detection pen 310 is arranged in the vicinity of the display device S14 and CS13. Further, cross-sectional views at this time are shown in FIGS. 94 (b) and 94 (c). 94 (b) and 94 (c), there is a coupling capacitance between the pen tip 310 and each electrode of the display device and between each electrode, and cpg is a coupling between the gate line and the pen tip 310. Cps is the coupling capacitance between the signal line and the pen tip 310, csg is the coupling capacitance between the signal line and the gate line, csc is the coupling capacitance between the signal line and the Cs line, and cs is the pixel electrode and the Cs line. , Cpc is the coupling capacitance between the Cs line and the pen tip 310, cpc is the coupling capacitance between the pixel electrode and the pen tip 310, cgs is the coupling capacitance between the gate line and the pixel electrode, and clc is colored. The coupling capacitance between the layer 407 and the pixel electrode is indicated by cscom, and the coupling capacitance between the signal line and the coloring layer 407 is indicated. However, each coupling capacity shown in FIGS. 94B and 94C indicates a coupling capacity directly coupled from between the electrodes forming the coupling capacity, and does not include coupling capacity generated through other electrodes. . For example, when only the electrodes of the pen tip 310 and the signal line 404 are considered, the coupling capacitance between the pen tip 310 and the signal line 404 is cps shown in FIG. 94B, but in reality, other electrodes such as Cs lines are used in the display device. When a constant bias voltage is not applied to them and charges cannot be taken in and out, a coupling capacitance through these electrodes is generated between the nib 310 and the signal line 404. 94 (b) and 94 (c), the coupling capacitance between one signal line and the pen tip 310, the coupling capacitance between one Cs line and the pen tip 310, and one gate line. The coupling capacitance between one pixel electrode and the pen tip 310, the coupling capacitance between one signal line and the counter electrode, and the coupling capacitance between one Cs line and the counter electrode. The coupling capacitance between one line and the counter electrode is shown, and the coupling capacitance between one pixel electrode and the counter electrode is shown.
[0276]
In this embodiment, the signal line driving circuit 304, the gate line driving circuit 305, and the Cs driving are performed immediately before X1 changes from VL to VH when the display device changes from the display period to the vertical blanking period. The circuit 307 supplies VL to all signal lines, all gate lines, and all Cs lines. As a result, when the display period shifts to the vertical blanking period, all the TFTs are surely turned off, and the supply source for supplying the signal line voltage to the signal line is changed from the signal line driving circuit 304 to the X driving circuit 306. Since the signal line voltage is kept constant at VL, no voltage fluctuation occurs in the signal line, gate line, Cs line, pixel electrode, etc., and no error voltage is generated in the detection pen 310, and more accurate coordinate detection is possible. became.
[0277]
In this embodiment, the coupling capacitance Cpstotal (including the coupling capacitance generated through the electrodes other than the pen tip 310 and the signal line 404) and the coupling capacitance Cpctotal between the pen tip 310 and the Cs line 402 (the pen tip). 310 and the coupling capacitance generated through the electrodes other than the Cs line 402 are obtained as follows. The array substrate 400 is overwhelmingly thicker than the oxide film 401 and the liquid crystal layer 406.
[0278]
Cpstotal = Cpctotal = Cps + Cpc + Cplc + Cpg
Therefore, the detection voltage generated by the voltage change (ΔVs, ΔVcs) of the signal line and the Cs line is as follows.
[0279]
Vp = ΔVs * Cpstotal / (Cpstotal + CL) (5)
Vp = ΔVcs * Cpctotal / (Cpctotal + CL) (6)
The detection voltages generated by driving the X drive circuit 306 and the Cs drive circuit 307 are as shown in FIG. When a voltage change occurs in the signal line and the Cs line related to the pixel electrode where the pen tip of the detection pen 310 is located, a voltage change also occurs in the detection voltage as shown in FIG.
[0280]
FIG. 96 shows the internal function of the control unit 9 for obtaining the position coordinates of the detection pen from the timing of voltage change occurring in the detection voltage. 96 in FIG. 96 is a waveform correction circuit for converting Vp into an easy-to-handle digital pulse signal, and 321 and 322 are counters with a clear function, such as 74HC163. Reference numerals 323 and 324 denote flip-flops that store and hold the outputs of the counters 321 and 322. The operation of the control unit 309 shown in FIG. 96 is shown in FIG. In FIG. 97, the outputs 321 to 324 are represented by decimal numbers, but in reality, they are binary numbers represented by a plurality of bits. The VP is converted to a 1 CLK digital pulse by the waveform correction circuit 320, and the counters 321 and 322 count the CLK after being cleared and output it to the flip-flops 323 and 324. The flip-flop 323 captures and holds the output of the counter 321 during the X-direction pen coordinate detection period and when Vpp is at a high level. The flip-flop 324 captures and holds the output of the counter 322 during the Y-direction pen coordinate detection period and when the Vpp is at a high level. Therefore, the values held in the flip-flops 323 and 324 vary depending on which pixel electrode the pen tip is placed on, and the flip-flop 323 holds data indicating pen coordinates in the X direction, and the flip-flop 324 holds in the Y direction. Holds data indicating pen coordinates. In this embodiment, F1 = 3 and F2 = 2 are held. However, when the pen tip is arranged on the pixel electrode related to s3 and cs2, F1 = 2 and F2 = 1 are held. That is, the values of F1 and F2 corresponding to the pen tip position are obtained. Although not shown, the control unit 309 determines the position of the pen tip from the values of F1 and F2, which are internal data, and sends data for displaying the position to the signal line driving circuit 304 and the gate line driving circuit 305. With the pen input display device according to the present invention, accurate coordinate detection is possible as described above.
[0281]
FIG. 98 is a view of the display device according to this example as viewed from the TFT substrate side. 98 shows a state when the pen tip 310 is arranged on the display device, and the dotted line in FIG. 98 shows the contact surface between the pen tip and the display device. In this embodiment, the sizes of the pixel electrode, signal line, gate line, and Cs line are 300 μm * 100 μm, gate line width 10 μm, signal line width 10 μm, and Cs line width 10 μm, as shown in FIG. The coupling capacity between each electrode and the pen tip of the display device depends on how much each electrode overlaps the contact surface between the pen tip and the display device shown in FIG. Because the capacity of the parallel plate type is generally expressed by the following equation:
C = ε0 εx S / d
ε0 = dielectric constant of vacuum
εx = Specific induction rate of insulator sandwiched between capacitor electrodes
S = area of the electrode
d = thickness of the insulator
The capacitance value can be increased by increasing the area of the electrode forming the capacitor.
[0282]
Therefore, when Cps, Cpc, Cplc, and Cpg are compared with each other, as apparent from FIG. 98, the overlapping area of the contact surface between the pen tip and the display device and the pixel electrode is overwhelmingly larger than the overlapping area of the other electrodes. For,
Cplc≈10 Cps≈30 Cpc≈60 Cpg
Cps = 0.1fF
It is. From the equations (5) and (6), the voltage change ΔVp generated in the detected voltage in this embodiment is
Figure 0003866336
It is. Incidentally, the measured value was Vp = 38 mV. Although the measured value was lower than the theoretical value, although not shown in the figure, it is thought that the protective sheet was put on 1 and the thickness of the insulator was increased accordingly.
[0283]
The equivalent circuit between the electrodes of the detection pen and the display device in FIGS. 94 (b) and 94 (c) is as shown in FIG. Here, when VX4 is driven from VL to VH (signal line voltage change ΔVs = VH−VL), if the other electrodes are not in a floating state, Cpstotal is as follows.
[0284]
Cpstotal = Cps = 0.1fF
If Vcs3 is driven from VL to VH (Cs line voltage change ΔVcs = VH−VL) and the other electrodes are not in a floating state, Cpctotal is as follows.
[0285]
Cpctotal = Cpc = 0.03fF
Further, the voltage change (ΔVp) generated in Vp at this time is as follows.
[0286]
Figure 0003866336
In actual measurement, these could not be detected due to power source noise such as a backlight (not shown) and 308, and coordinate detection could not be performed normally.
[0287]
So book Example The effect by can be confirmed.
[0288]
【The invention's effect】
According to the first embodiment of the present invention, it is not necessary to provide the coordinate detection tablet on the front or back of the display device independently of the display device, and the display device and the coordinate detection tablet can be formed on the same surface. The pen input integrated display device can be made lighter, thinner, and higher in image quality. The larger the display device is a few inches or larger, the more the number of parts required for pen input does not change. The effect of reducing the weight and thickness according to the invention is great.
[0289]
For example, the display device is effective when the diagonal is 12.1 inches XGA and the pixel pitch is 210 μm * 70 μm, or the display device is diagonal 40 inches and the pixel pitch is 630 μm * 210 μm. Particularly effective for molds with a size of 5.5 inches diagonal or larger (more effective for diagonals of 10 inches or larger, and more effective for diagonals of 20 inches or larger).
[0290]
Further, since the movement amount of the pen on the display device is instantaneously detected directly from the display device by the optical sensor of the pen, coordinate detection with high time resolution is possible. Therefore, when writing small characters on the display device quickly in handwriting input (when the size of the display device is 1 and writing characters less than 1/10 in size, etc.) The present invention is effective, and the present invention is effective when handwritten input is performed at a speed of 80 dots / second or more). The present invention is very effective.
[0291]
In addition, since it is possible to detect the amount of movement of the pen on the display device in the X direction and the amount of movement of the pen on the display device in the Y direction based on different spatial optical characteristics inherent in the display device surface, It is possible to more accurately detect whether the pen has moved in the X direction or the Y direction.
[0292]
In addition, since the light receiving surface of the light sensor of the pen has different lengths in the X direction and the Y direction on the display device, the light sensor is easily affected by the spatial optical characteristic difference in one direction of the display device. Therefore, it is possible to more accurately detect whether the pen has moved in the X direction or the Y direction.
[0293]
In addition, since the coordinates where the pen is arranged on the display device are detected by using the change in luminance of the display device due to the push-up voltage generated in the pixel electrode when the Cs line and the signal line of the display device are sequentially selected and driven, the display is displayed. Since there is no need to provide an array substrate for coordinate detection independently of the array substrate in the device, the display device and the coordinate detection tablet can be formed on the same surface, making it possible to reduce the weight and thickness of the pen input integrated display device. Because the coordinates are detected by using the luminance change of the display device due to capacitive coupling, the desired voltage can be instantaneously applied to the pixel electrode, and the variation of the switching element that drives the pixel electrode is not affected, Accurate coordinate detection is possible.
[0294]
Further, since the detected coordinates can be adjusted, the detection error generated due to the temperature characteristic of the response speed of the display device can be adjusted, and more accurate coordinate detection can be performed.
[0295]
In addition, since the push-up voltage is generated by the Cs line after the switching element arranged for each pixel electrode of the display device is turned off, the influence of the luminance change of the display device caused by writing the signal line voltage to the pixel electrode at the time of coordinate detection is affected. Since it is not received, more accurate coordinate detection is possible.
[0296]
Further, since the push-up voltage is generated by the signal line after the Cs line is disconnected from the Cs line drive means, the push-up voltage generated can be maintained without being influenced by the Cs line drive means.
[0297]
Therefore, it is possible to obtain a pen input integrated display device that realizes high image quality, light weight, thin shape, high time resolution, and high accuracy coordinate detection.
[0298]
According to the second embodiment of the present invention, even if the tilt of the pen and the display device in the pen input device changes, the tilt of the light receiving surface of the pen photosensor with respect to the display device is kept from 0 to 45 degrees. Therefore, the light energy incident on the light receiving surface does not change greatly, and as a result, the malfunction of the optical sensor caused by the tilt of the pen and the display device can be suppressed, and more accurate coordinate detection is possible.
[0299]
According to the third and fourth embodiments of the present invention, the correction means corrects the pen coordinates based on the movement speed, the change in the movement speed, the movement vector, and the change in the movement vector, and the movement speed increases. Regardless of whether the pen coordinate where the movement vector changes is deleted, the movement speed and movement vector immediately before deletion are compared with the movement speed and movement vector after deletion, and the movement vector after deletion and the movement vector immediately before deletion are the same. Alternatively, if the movement speed after the deletion is slower or almost equal to the movement speed immediately before the deletion, the pen coordinates after the deletion are not deleted, so that the correction based on the ergonomics of the pen coordinates can be performed.
[0300]
According to the fifth embodiment of the present invention, when the pen coordinate is detected by driving the signal line, at least one of the gate line, the Cs line and the counter electrode is brought into a floating state, and the pen line is driven by driving the gate line. At least one of the signal line, the Cs line and the counter electrode is in a floating state when detecting the signal, and at least one of the signal line, the gate line and the counter electrode is in a floating state when detecting the pen coordinates by driving the Cs line Therefore, the detection pen can have a larger coupling capacity with each electrode of the display device.
[0301]
For this reason, according to the fifth embodiment, good-looking handwriting input can be performed with fine handwriting and quick handwriting input, and accurate handwriting input can be performed even if the signal line, gate line, and Cs line become thin.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a pen input integrated display device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an outline view of a pen input integrated display device according to the first embodiment;
FIG. 3 is a cross-sectional view of the pen input device according to the first embodiment.
FIG. 4 is a view showing a state of light reception of a pen input device in the first embodiment.
FIG. 5 is a view showing a structure of a counter substrate according to the first embodiment.
FIG. 6 is a view showing a photodiode array structure according to the first embodiment;
FIG. 7 is a view showing a photodiode array structure according to the first embodiment;
FIG. 8 is a view showing a photodiode array structure according to the first embodiment;
FIG. 9 is a view showing an equivalent circuit of the photodiode array according to the first embodiment;
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a pen input device according to the first embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a configuration and output waveform of a pen system reset unit according to the first embodiment;
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an optical signal conversion basic circuit according to the first embodiment.
FIG. 13 is a graph showing the characteristics of the photodiode according to the first embodiment.
FIG. 14 is a configuration diagram of a movement amount detection unit according to the first embodiment.
FIG. 15 is a configuration diagram of a Y-direction movement amount detection unit according to the first embodiment.
FIG. 16 is a configuration diagram of a level shift unit according to the first embodiment;
FIG. 17 is a view showing an operation example of a level shift unit according to the first embodiment;
FIG. 18 is a configuration diagram of a serial signal generator according to the first embodiment.
FIG. 19 is a configuration diagram of a serial signal generator according to the first embodiment.
FIG. 20 is a view showing the operation of a one-third pulse circuit according to the first embodiment;
FIG. 21 is a view showing the operation of the serial signal generator according to the first embodiment.
FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a parallel signal generator according to the first embodiment.
FIG. 23 is a diagram showing a configuration of a parallel signal generator according to the first embodiment.
FIG. 24 is a diagram showing a circuit configuration example of a full adder according to the first embodiment;
FIG. 25 is a view showing an operation example of a parallel signal generator according to the first embodiment;
FIG. 26 is a diagram showing a configuration of an initial coordinate detection unit according to the first embodiment.
FIG. 27 is a diagram showing a configuration of a Y-direction initial coordinate detection unit according to the first embodiment.
FIG. 28 is a view showing the operation of the Y-direction initial coordinate detection unit according to the first embodiment.
FIG. 29 is a view showing the operation of a rising edge detection circuit according to the first embodiment;
FIG. 30 is a diagram showing a configuration of an X drive unit according to the first embodiment.
FIG. 31 is a view showing an operation example of an X drive unit according to the first embodiment;
FIG. 32 is a diagram showing a configuration of an X-direction initial coordinate detection unit according to the first embodiment.
FIG. 33 is a view showing the operation of the X-direction initial coordinate detection unit according to the first embodiment.
FIG. 34 is a diagram showing a configuration of a Y-coordinate detection unit according to the first embodiment.
FIG. 35 is a diagram showing a configuration of a Cs line driving unit according to the first embodiment;
FIG. 36 is a view showing the operation of the Cs line driving unit according to the first embodiment;
FIG. 37 is a view showing the operation of the pulse width modulation circuit according to the first embodiment;
FIG. 38 is a view showing the operation of the gate line driving section 3 according to the first embodiment;
FIG. 39 is a view showing the operation of the signal line driver according to the first embodiment.
FIG. 40 is a view showing a position of a pen tip on the display device according to the first embodiment.
FIG. 41 is a view showing pixel electrode voltage timing according to the first embodiment;
FIG. 42 is a diagram showing VT characteristics of the display device according to the first example.
FIG. 43 is a view showing a pixel capacity model according to the first embodiment;
44 is a diagram showing the relative output of the pack light, the transmittance characteristics of each colored layer, and the light receiving sensitivity characteristics of the photodiode according to the first embodiment. FIG.
FIG. 45 is a view showing a change in received light of the photodiode according to the first embodiment.
FIG. 46 is a graph showing the response speed of TN liquid crystal, ferroelectric liquid crystal, and antiferroelectric liquid crystal.
47 is a view showing the operation of the Y-direction initial coordinate detection unit according to the first embodiment. FIG.
FIG. 48 is a view showing a pixel capacitance model when the output of the Cs line driving unit according to the first embodiment is high impedance and all TFTs of the array substrate are turned off.
49 is a view showing the operation of the X-direction initial coordinate detection unit according to the first embodiment. FIG.
FIG. 50 is a view showing a light receiving component in consideration of a transmittance characteristic of a black matrix and a light receiving sensitivity characteristic of a photodiode on the black matrix according to the first embodiment.
FIG. 51 is a view showing the arrangement state of photodiodes according to the first embodiment;
FIG. 52 is a view showing a light receiving state of each light receiving surface in FIG. 51A according to the first embodiment;
FIG. 53 is a view showing a light receiving state of each light receiving surface in FIG. 51B according to the first embodiment;
54 is a view showing the structure of the array substrate 8 and the arrangement of the black matrix according to the first embodiment. FIG.
FIG. 55 is a view showing the position of a pen tip on the display device according to the first embodiment;
FIG. 56 is a view showing the position of a pen tip on the display device according to the first embodiment;
FIG. 57 is a view showing the position of a pen tip on the display device according to the first embodiment;
FIG. 58 is a view showing a change over time in relative illuminance of each light receiving surface according to the first embodiment;
FIG. 59 is a diagram showing a change over time in the relative output of the optical signal converter according to the first embodiment;
FIG. 60 is a view showing a change over time in the output of each level shift unit according to the first embodiment;
61 is a view showing the operation of the serial signal generating unit according to the first embodiment; FIG.
FIG. 62 is a view showing the operation of the parallel signal generator and the operation of the Y coordinate detector according to the first embodiment.
63 is a view showing the operation of the serial signal generation unit according to the first embodiment; FIG.
FIG. 64 is a view showing the operation of the parallel signal generation unit and the operation of the X coordinate detection unit according to the first embodiment;
FIG. 65 is a diagram showing a pen input device according to a second embodiment of the present invention.
66 is a view showing a pen input device according to the second embodiment; FIG.
67 is a diagram showing a pen input device according to the second embodiment; FIG.
FIG. 68 is a diagram showing a pen input device according to the second embodiment;
FIG. 69 is a diagram showing a pen input device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 70 is a view showing the relationship between the display device 10 ′ and the DX and DY signals according to the third embodiment;
71 is a diagram showing a state of handwriting input according to the third embodiment; FIG.
FIG. 72 is a view showing a state of handwriting input according to the third embodiment;
FIG. 73 is a view showing a handwritten input result when there is no effect of the present invention according to the third embodiment;
FIG. 74 is a diagram showing a time relationship with pen input coordinate data DX, DY according to the third embodiment;
FIG. 75 is a diagram showing a configuration of a pen speed detection unit according to the third embodiment;
FIG. 76 is a diagram showing a configuration of a vector change detection unit according to the third embodiment;
77 is a diagram showing a definition of a movement vector direction corresponding to FIG. 73 according to the third embodiment; FIG.
78 is a view showing the operation of the vector change detecting unit according to the third embodiment; FIG.
FIG. 79 is a diagram showing operations of a pen speed detection unit, a vector change detection unit, and a correction unit according to the third embodiment.
FIG. 80 is a diagram showing a configuration of a correction unit 172 according to the third embodiment.
FIG. 81 is a diagram showing a configuration of a correction unit 172 according to the third embodiment.
FIG. 82 is a view showing the effect of the present invention according to the third embodiment.
FIG. 83 is a block diagram of a pen input device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 84 is a view showing the principle of pen coordinate detection according to the fourth embodiment;
FIG. 85 is a diagram showing a configuration of an impedance converter 8 according to the fourth embodiment;
86 is a view showing control of sw1 to sw4 according to the fourth embodiment. FIG.
87 is a view showing an equivalent circuit of FIG. 84 (c) according to the fourth embodiment.
FIG. 88 is a view showing an equivalent circuit of FIG. 84 (c) according to the fourth embodiment.
FIG. 89 is a block diagram of a pen input device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 90 is a view showing a driving sequence of the pen input device according to the fifth embodiment;
FIG. 91 is a diagram showing a configuration of an X drive circuit according to the fifth embodiment;
FIG. 92 is a diagram showing a configuration of a Cs drive circuit according to the fifth embodiment;
FIG. 93 is a diagram showing operations of the X drive circuit and the Cs drive circuit according to the fifth embodiment 1;
FIG. 94 is a view showing a state in which the detection pen is arranged on the display device in the fifth embodiment.
FIG. 95 is a diagram showing a pen coordinate detection method in the fifth embodiment;
FIG. 96 is a view showing a pen coordinate detection method in the fifth embodiment;
FIG. 97 is a view showing a pen coordinate detection result in the fifth embodiment;
98 is a view showing the structure of the array substrate in the fifth embodiment; FIG.
99 is a view showing an equivalent circuit of the coupling capacitance in the fifth embodiment; FIG.
FIG. 100 is a diagram for illustrating a conventional example.
FIG. 101 is a diagram for illustrating a conventional example.
[Explanation of symbols]
30 ... colored layer
33 ... Photodiode array substrate
44. Operational amplifier
66, 193 ... D flip-flop with clear function
67, 68, 184, 185, 231, 232 ... Counter
73-73, 237-240 ... Full adder
88, 96, 175, 178 ... Comparator
87, 95 ... operational amplifier
DFA to DFF ... Photodiode

Claims (5)

ペン入力装置と表示装置を備えたペン入力一体型表示装置において、
前記ペン入力装置におけるペンが光センサーを備え、
前記ペンが、前記表示装置上で移動した移動量を、前記表示装置表面上の位置変化に対応して変化する該表面の光透過率を前記光センサーによって検知することで検出する移動量検出手段を具備していることを特徴とするペン入力一体型表示装置。
In a pen input integrated display device including a pen input device and a display device,
The pen in the pen input device includes a light sensor,
Movement amount detecting means for detecting the movement amount of the pen moved on the display device by detecting the light transmittance of the surface that changes corresponding to the position change on the surface of the display device by the optical sensor. A pen input integrated display device characterized by comprising:
ペン入力装置と表示装置を備えたペン入力一体型表示装置において、
前記ペン入力装置におけるペンが光センサーを備え、
前記ペンが、前記表示装置上で移動した移動量を、前記表示装置に配置された光遮蔽部と開口部の光透過率差を前記光センサーによって検知することで検出する移動量検出手段を具備していることを特徴とするペン入力一体型表示装置。
In a pen input integrated display device including a pen input device and a display device,
The pen in the pen input device includes a light sensor,
And a movement amount detecting means for detecting the movement amount of the pen moved on the display device by detecting a difference in light transmittance between a light shielding portion and an opening disposed in the display device by the light sensor. A pen input integrated display device characterized by that.
前記入力装置にけるペンが、前記ペンの筐体と、緩衝機構を介して前記筐体と連結された受光部を具備し、前記受光部の受光面が前記表示装置表面と平行になるように制御されることを特徴とする請求項1又は2記載のペン入力一体型表示装置。 Contact Keru pen to the input device, the housing of the pen, via a buffer mechanism provided with a light receiving portion which is connected to the housing, so that the light receiving surface of the light receiving portion is parallel to the display device surface 3. The pen input integrated display device according to claim 1, wherein the pen input integrated display device is controlled. 前記緩衝機構はバネを具備することを特徴とする請求項3記載のペン入力一体型表示装置。  4. The pen input integrated display device according to claim 3, wherein the buffer mechanism includes a spring. 前記緩衝機構はゴムを具備することを特徴とする請求項3記載のペン入力一体型表示装置。  4. The pen input integrated display device according to claim 3, wherein the buffer mechanism includes rubber.
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